Sciencemag.cz
Doporučujeme
Fonoritony umožní převádět informaci mezi fotony a mikrovlnnými qubity v kvantových počítačích.
Vědci z berlínského Paul-Drude-Institutu a argentinského Instituto Balseiro prokázali, že světlo lze míchat se zvukem v GHz frekvencích. Výsledkem jsou pak krajně exotické kvazičástice fonoritony (phonoritons), které v sobě kombinují vlastnosti fotonů, fononů a navíc ještě excitonů (páry elektronů a děr v polovodičích). Jak praví průvodní tisková zpráva, objev otevírá nový způsob koherentní konverze informace mezi optickou a mikrovlnnou oblastí, což možné výhody a nové funkce pro oblasti fotoniky, optomechaniky a optických komunikačních technologií.
Studie se inspirovala každodenním jevem: přenosem energie mezi dvěma spřaženými oscilátory, jako jsou například dvě kyvadla spojená pružinou. Za specifických podmínek spřažení (tzv. režim silného spřažení, strong-coupling) energie nepřetržitě kmitá mezi oběma kyvadly, která již nejsou nezávislá, protože jejich frekvence a rychlosti nejsou stejné jako u nespojených kyvadel. Oscilátory mohou být také fotonické nebo elektronické kvantové stavy: režim silného spřažení je v tomto případě zásadní pro řízení a výměnu kvantových stavů.
Ve výše uvedeném příkladu se předpokládá, že obě kyvadla mají stejnou frekvenci, tj. jsou v rezonanci. Hybridní kvantové systémy však vyžadují koherentní přenos informace mezi oscilátory s do značné míry odlišnými frekvencemi. Zde je jedním z důležitých příkladů síť kvantových počítačů. Zatímco nejslibnější dnešní kvantové počítače pracují s mikrovlnnými qubity (tj. s frekvencí několika GHz), kvantová informace se efektivně přenáší pomocí fotonů v blízké infračervené oblasti (stovky THz).
Potřebujeme tedy obousměrný a koherentní přenos kvantové informace mezi těmito doménami. Přímý převod mezi mikrovlnnými qubity a fotony je v mnoha případech velmi neefektivní. Jednou z alternativ je zprostředkování převodu pomocí třetí částice, která se může účinně spojit jak s mikrovlnnými qubity, tak s fotony. Vhodným kandidátem jsou právě GHz vibrace atomové mřížky (fonony).
Teoretický základ pro silné spřažení mezi světlem a fonony položili v roce 1982 Keldyš a Ivanov, kteří předpověděli, že polovodičové krystaly mohou míchat fotony a fonony prostřednictvím další kvazičástice: excitonu-polaritonu. Polaritony vznikají ze silné vazby mezi fotony a excitony. Když do hry vstoupí fonon, může spřáhnout dva polaritonové oscilátory s frekvencemi lišícími se právě o frekvenci fononu. Pokud je vazba dostatečně velká, tj. v režimu silného spřažení, vede ke vzniku nové kvazičástice – fonoritonu, který je směsí excitonu, fotonu a fononu.
Samotný vznik fonoritonů se ale až dosud nepodařilo experimentálně přesvědčivě prokázat. Alexander Kuznetsov a jeho kolegové uspěli až nyní. Vědci použili polaritony ve vzorovaném mikrokavitním rezonátoru (viz obrázek pod článkem, nahoře). Mikrometrově tlustší oblasti uvnitř mikrodutiny fungují jako hybridní pasti jak pro 370 THz polaritony, tak pro 5 až 20 GHz fonony. Past mnohonásobně zesílila interakci mezi oběma částicemi, což je důležitý požadavek pro tvorbu fonoritonů. Optickým vstřikováním dalších polaritonů do pasti vytvořii vědci dva polaritonové kondenzáty. Na rozdíl od běžných laserů mají polaritony silné interakce mezi částicemi, jsou to „světelné kvantové tekutiny“.
Když se rozdělení energie polaritonů shoduje s energií fononů, obě polaritonové tekutiny se synchronizují, (viz obrázek uprostřed). Synchronizace je způsobena kombinací nelineárních interakcí polariton-polariton a účinného přenosu polaritonů mezi světelnými tekutinami zprostředkovaného absorpcí a emisí fononů. Bylo zjištěno, že vazba mezi polaritonovými stavy vyvolaná fonony převyšuje rychlost jejich rozpadu, což odpovídá vzniku fonoritonu. Výzkumníci pak použili piezoelektrický převodník, vyrobený na horní straně mikrodutiny a v okolí pasti, k ovládání zařízení pomocí mikrovln a vstřikování fononů o frekvenci 7 GHz do pasti. V přítomnosti injektovaných fononů se spektrum fonoritonů transformuje do hřebenu úzkých rezonancí (viz obrázek, spodní část).
Je zajímavé, že na rozdíl od běžných optomechanických systémů, kde fonony přímo interagují s fotony a síla interakce závisí pouze na počtu fotonů, se zde interakce škáluje jak s množstvím („populací“) polaritonů, tak i s množstvím fononů.
Alexander Sergeevich Kuznetsov et al, Microcavity phonoritons—a coherent optical-to-microwave interface, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-40894-7
Zdroj: Paul Drude Institute / Phys.org, přeloženo, zkráceno
Credit: Paul Drude Institute
