Des scientifiques rapportent la formation de polaritons d’ondes de matière dans un réseau optique, une découverte expérimentale qui permet d’étudier un paradigme central de la science et de la technologie quantiques par une simulation quantique directe utilisant des atomes ultrafroids.
La découverte de polaritons à onde de matière jette une nouvelle lumière sur les technologies quantiques photoniques.
Une recherche publiée dans la revue Nature Physics fournit une nouvelle plate-forme pour la “deuxième révolution quantique”.
Le développement de plateformes expérimentales qui font progresser le domaine de la science et de la technologie quantiques (QIST) s’accompagne d’un ensemble unique d’avantages et de défis communs à toute technologie émergente. Des chercheurs de l’université de Stony Brook, dirigés par Dominik Schneble, Ph. D., signalent la formation de polaritons d’ondes de matière dans un réseau optique, une découverte expérimentale qui permet d’étudier un paradigme central de la QIST par simulation quantique directe à l’aide d’atomes ultrafroids. Les scientifiques prévoient que leurs nouvelles quasi-particules, qui imitent les photons à forte interaction dans les matériaux et les dispositifs mais contournent certains des défis inhérents, profiteront au développement ultérieur des plateformes QIST qui sont sur le point de révolutionner les technologies de calcul et de communication.
Les résultats de la recherche sont détaillés dans un article publié dans le journal Nature Physics.
L’étude met en lumière les propriétés fondamentales des polaritons et les phénomènes à plusieurs corps qui y sont liés, et ouvre de nouvelles possibilités pour l’étude de la matière quantique polaritonique.
Un défi important dans le travail avec les plateformes QIST basées sur les photons est que, bien que les photons puissent être des porteurs idéaux d’informations quantiques, ils n’interagissent normalement pas entre eux. L’absence de telles interactions empêche également l’échange contrôlé d’informations quantiques entre eux. Les scientifiques ont trouvé un moyen de contourner ce problème en couplant les photons à des excitations plus lourdes dans les matériaux, formant ainsi des polaritons, des hybrides de type chimère entre la lumière et la matière. Les collisions entre ces quasi-particules plus lourdes permettent ensuite aux photons d’interagir efficacement. Cela peut permettre la mise en œuvre d’opérations de portes quantiques basées sur les photons et, éventuellement, d’une infrastructure QIST complète.
Cependant, un défi majeur est la durée de vie limitée de ces polaritons à base de photons en raison de leur couplage radiatif avec l’environnement, qui conduit à une désintégration spontanée incontrôlée et à la décohérence.
Un rendu artistique des résultats de l’étude sur les polaritons montre les atomes dans un réseau optique formant une phase isolante (à gauche) ; les atomes se transformant en polaritons d’onde de matière via un couplage sous vide médié par un rayonnement micro-ondes représenté par la couleur verte (au centre) ; les polaritons devenant mobiles et formant une phase superfluide pour un fort couplage sous vide (à droite). Crédit : Alfonso Lanuza/Schneble Lab/Stony Brook University.
Selon Schneble et ses collègues, leurs recherches publiées sur les polaritons contournent complètement ces limitations causées par la désintégration spontanée. Les aspects photoniques de leurs polaritons sont entièrement portés par des ondes de matière atomique, pour lesquelles de tels processus de désintégration indésirables n’existent pas. Cette caractéristique ouvre l’accès à des régimes de paramètres qui ne sont pas, ou pas encore, accessibles dans les systèmes polaritoniques basés sur les photons.
“Le développement de la mécanique quantique a dominé le siècle dernier, et une “deuxième révolution quantique” vers le développement de la QIST et de ses applications est maintenant bien engagée dans le monde entier, y compris dans des sociétés comme IBM, Google et Amazon”, déclare Schneble, professeur au département de physique et d’astronomie du College of Arts and Sciences. “Notre travail met en lumière certains effets fondamentaux de la mécanique quantique qui présentent un intérêt pour les systèmes quantiques photoniques émergents du QIST, allant de la nanophotonique des semi-conducteurs à l’électrodynamique quantique des circuits.”
Les chercheurs de Stony Brook ont mené leurs expériences sur une plateforme contenant des atomes ultrafroids dans un réseau optique, un paysage potentiel en forme de cage d’œuf formé par des ondes lumineuses stationnaires. À l’aide d’un appareil à vide dédié, équipé de divers lasers et champs de contrôle et fonctionnant à une température de l’ordre du nanocelvin, ils ont mis en œuvre un scénario dans lequel les atomes piégés dans le réseau “s’habillent” de nuages d’excitations dans le vide constitués d’ondes de matière fragiles et évanescentes.
L’équipe a constaté que, par conséquent, les particules polaritoniques deviennent beaucoup plus mobiles. Les chercheurs ont pu sonder directement leur structure interne en secouant doucement le réseau, accédant ainsi aux contributions des ondes de matière et de l’excitation du réseau atomique. LorsqueS’ils sont laissés seuls, les polaritons de l’onde de matière sautent à travers le réseau, interagissent entre eux et forment des phases stables de matière quasiparticulaire.
“Avec notre expérience, nous avons réalisé une simulation quantique d’un système exciton-polariton dans un nouveau régime”, explique Schneble. “La recherche de telles simulations “analogiques”, qui sont en outre “analogiques” dans le sens où les paramètres pertinents peuvent être librement réglés, constitue en soi une orientation importante au sein du QIST.”
Référence : “Formation of matter-wave polaritons in an optical lattice” par Joonhyuk Kwon, Youngshin Kim, Alfonso Lanuza et Dominik Schneble, 31 mars 2022, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-022-01565-4
La recherche à Stony Brook a inclus des étudiants diplômés, Joonhyuk Kwon (actuellement postdoc au Sandia National Laboratory), Youngshin Kim et Alfonso Lanuza.
Le travail a été financé par la National Science Foundation (subvention # NSF PHY-1912546) avec des fonds supplémentaires du SUNY Center for Quantum Information Science à Long Island.
