Атоми навчилися перетворювати в фотонні транзистори

Дослідники з Університету Пердью розробили методику захоплення атомів лугу (цезію) в інтегровану фотонну схему, яка поводиться як транзистор для фотонів, подібно до електронних транзисторів. ʼ

Ця розробка демонструє потенціал побудови квантової мережі на основі інтегрованих нанофотонних схем із холодними атомами.

«Ми розробили техніку використання лазерів для охолодження та щільного захоплення атомів на інтегрованій нанофотонній ланцюзі, де світло поширюється в маленькому фотонному хвилеводі, який більш ніж у 200 разів тонший за людську волосину», - пояснює Чень-Лун Хун (Chen-Lung Hung), також член Квантового науково-технічного інституту Пердью.

Ці атоми «заморожені» до -459,67 градусів за Фаренгейтом, або лише на 0,00002 градуси вище абсолютного нуля температури, і, по суті, стоять нерухомо. При такій низькій температурі атоми можуть бути захоплені «тягаючим променем», спрямованим на фотонний хвилевід, і розташовані над ним на відстані, набагато меншій за довжину хвилі світла, приблизно 300 нанометрів. На такій відстані атоми можуть дуже ефективно взаємодіяти з фотонами, обмеженими у фотонному хвилеводі.

Ключовий аспект функції, який команда демонструє в цьому дослідженні, полягає в тому, що мікрокільцевий резонатор із зв’язаним атомом служить «транзистором» для фотонів. Вони можуть використовувати ці захоплені атоми, щоб перекрити потік світла через схему. Якщо атоми знаходяться в правильному стані, фотони можна передавати через ланцюг. Фотони повністю блокуються, якщо атоми знаходяться в іншому стані. Чим сильніше атоми взаємодіють з фотонами, тим ефективнішими є ці ворота.

«Ми захопили до 70 атомів, які могли б разом з’єднуватися з фотонами та контролювати їх передачу на інтегрованому фотонному чіпі. Раніше це не було реалізовано», — каже Сіньчао Чжоу (Xinchao Zhou), аспірант кафедри фізики та астрономії Пердью.

Уся дослідницька група базується в Університеті Пердью в Вест-Лафайєтті, Індіана. Хун був головним дослідником і контролював проект. Чжоу провів експеримент із захоплення атомів на інтегральній схемі, яку розробив і виготовив власноруч Цзу-Хань Чан (Tzu-Han Chang), колишній постдоктор, який зараз працює в Центрі нанотехнологій Бірка. Критичні частини експерименту поставили Чжоу та Хікару Тамура (Hikaru Tamura), колишній постдокторант у Пердью під час дослідження, а зараз доцент Інституту молекулярної науки в Японії.

Платформа, продемонстрована в цьому дослідженні, може забезпечити фотонний зв’язок для майбутніх розподілених квантових обчислень на основі нейтральних атомів. Він також може служити новою експериментальною платформою для вивчення колективних взаємодій світла та матерії та для синтезу квантово вироджених захоплених газів або ультрахолодних молекул.

«На відміну від електронних транзисторів, які використовуються в повсякденному житті, наша інтегрована фотонна схема з атомним зв’язком підкоряється принципам квантової суперпозиції, — пояснює Хун. - Це дозволяє нам маніпулювати та зберігати квантову інформацію в захоплених атомах, які є квантовими бітами, відомими як кубіти. Наша схема також може ефективно передавати збережену квантову інформацію в фотони, які можуть «літати» через фотонні дроти та волоконну мережу для зв’язку з іншими атомно-зв’язаними інтегральними схемами або атомно-фотонними інтерфейсами. Наше дослідження демонструє потенціал для побудови квантової мережі на основі інтегрованих нанофотонних схем з холодними атомами».

Команда працювала над цією областю досліджень протягом кількох років і планує активно її продовжувати. Майбутнє для цього дослідження перспективне з багатьма напрямками для вивчення.                                     

    Фотонна схема, продемонстрована командою