Ученые обнаружили атомное “дыхание” - новый способ кодировать и передавать квантовую информацию

Квантовые технологии - это область науки, которая использует свойства квантовой механики для создания новых устройств и приложений в вычислениях, коммуникациях, датчиках и других областях. Однако для реализации квантовой сети необходимы надежные способы создания, оперирования, хранения и передачи квантовой информации. Исследователи из Университета Вашингтона сделали важный шаг в этом направлении, обнаружив атомное “дыхание” - механическую вибрацию между двумя слоями атомов, которая может помочь кодировать и передавать квантовую информацию в виде света. Они также создали интегрированное устройство, которое может управлять этими атомными колебаниями и световыми излучениями. Их результаты были опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.

“Это новая атомарная платформа, использующая то, что научное сообщество называет “оптомеханикой”, в которой свет и механические движения взаимосвязаны”, - сказал старший автор Мо Ли, профессор электротехники и компьютерных наук и физики Университета Вашингтона. “Она предоставляет новый тип квантового эффекта, который может быть использован для управления одиночными фотонами, проходящими через интегрированные оптические цепи для многих приложений”.

В основе этой платформы лежит квазичастица под названием “экситон”. Это состояние материи, которое возникает, когда электрон атома отбрасывается от ядра лазерным светом и оставляет за собой положительно заряженную дырку. Экситон может быть использован для кодирования и передачи квантовой информации в виде фотона - крошечной частицы энергии, считающейся квантовой единицей света. Квантовые свойства каждого излучаемого фотона - такие как поляризация, длина волны и/или время излучения - могут служить квантовым битом информации или “кубитом”.

Исследователи работали с экситонами в двухатомных слоях диселенида вольфрама - материале с уникальными оптическими и электронными свойствами. Они обнаружили, что экситон излучает фотон не всегда одинаково. Его излучение зависит от того, как два слоя атомов взаимодействуют друг с другом. Оказалось, что между двумя слоями атомов происходит механическая вибрация, которую ученые назвали атомным “дыханием”. Это “дыхание” влияет на то, как экситон излучает фотон.

“Мы обнаружили, что эти два слоя атомов дышат вместе, как одно целое”, - сказал Ли. “Это дыхание - это звук на атомном уровне. И мы можем контролировать его лазерным светом”.

Команда также создала интегрированное устройство, которое может управлять этим атомным дыханием и световыми излучениями. Они поместили два слоя диселенида вольфрама на тонкую пластинку кремния, которая имеет ряд оптических резонаторов - структур, которые могут усиливать или модифицировать свет. Они также подключили электроды к пластинке кремния для подачи электрического тока.

“Мы можем использовать электрический ток для управления частотой атомного дыхания”, - сказал Рипин. “Также мы можем использовать оптические резонаторы для управления частотой и интенсивностью света, излучаемого экситоном”.

Разработанное устройство может быть полезно для различных приложений квантовых технологий, таких как квантовые вычисления, коммуникации и датчики. Например, оно может быть использовано для создания квантового переключателя или логического элемента, который может изменять состояние фотона в зависимости от состояния другого фотона.

“Мы создали новый тип строительного блока для квантовых технологий”, - сказал Ли. “Он может быть интегрирован с другими элементами на одной платформе и работать вместе”.

Исследование было поддержано Национальным научным фондом США и Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США.