Edelstenen uit Namibië kunnen in de toekomst een sleutel zijn tot kwantumcomputers

Een internationaal team van onderzoekers is erin geslaagd Rydberg-polaritonen te produceren uit erts met koperoxidekristallen uit oude afzettingen in Namibië. De resulterende deeltjes zijn de grootste hybride deeltjes van licht en materie die ooit zijn gemaakt en zouden de sleutel kunnen zijn tot nieuwe op licht gebaseerde kwantumcomputers.

Atomen kunnen met elkaar interageren, maar bewegen heel langzaam, terwijl fotonen snel bewegen maar geen interactie met elkaar hebben. Het produceren van optische fotonen en ze op een gecontroleerde manier laten interageren, zijn echter noodzakelijke voorwaarden voor de ontwikkeling van langeafstands-kwantumcommunicatie en, meer in het algemeen, voor de kwantumverwerking van informatie die op fotonen is gecodeerd.

Om dit doel te bereiken, is een manier om hybride deeltjes te creëren, of het nu materie of licht is, Rydberg-polaritonen genaamd; Deze deeltjes worden bijna constant doorgelaten van licht naar materie en vice versa. Een team heeft nu de vorming van dergelijke deeltjes gerapporteerd met behulp van een koperoxidekristal (Cu₂s). Hun werk is een echte stap voorwaarts: de interacties tussen polaritonen zijn essentieel voor het creëren van kwantumsimulators, die de grootste mysteries van de wetenschap kunnen oplossen.

Spannende interacties tussen fotonen

” Een kwantumsimulator maken met licht is de heilige graal van de wetenschap ”, Hamid Uday zei in een verklaring:, een natuurkundige aan de Universiteit van St. Andrews in het Verenigd Koninkrijk en co-auteur van de studie waarin dit werk werd gepresenteerd. Een kwantumsimulator is een speciaal type kwantumcomputer die de interacties tussen kwantumbits (qubits) regelt, zodat het enkele kwantumproblemen kan simuleren die bijzonder moeilijk te modelleren zijn. Met andere woorden, de simulator is specifieker dan een kwantumcomputer – die elk soort probleem zou moeten kunnen oplossen.

De onderzoekers van Polariton Rydberg leggen uit dat licht en materie twee kanten van een medaille zijn. Het is de kant van het materiaal die ervoor zorgt dat de polaritons met elkaar interageren. Ze worden gevormd door de koppeling van excitonen en fotonen. Om het te produceren, gebruikten de onderzoekers een edelsteen (cupriet genaamd) die koperoxide bevat, omdat dit materiaal bij afkoeling tot een kritische temperatuur een supersterke geleider is. Eerder onderzoek heeft ook aangetoond dat koperoxide “gigantische” Rydberg-oxytonen bevat in de orde van grootte van de micrometer – een dimensie die interacties bevordert.

Excitonen zijn elektrisch neutrale quasi-deeltjes – die kunnen worden gezien als een elektron-elektron-gatpaar, gebonden door Coulomb-krachten – die onder de juiste omstandigheden kunnen koppelen met lichtdeeltjes. Zo kunnen koperoxide-excitonen worden gekoppeld aan fotonen, in een apparaat dat een Fabry-Perot-interferometer wordt genoemd en dat bestaat uit twee vlakke, evenwijdige, semi-reflecterende spiegels met hoge reflectiecoëfficiënten. In deze interferometer maakt het binnenkomende licht meerdere reizen heen en weer in de optische holte en verschijnt het gedeeltelijk bij elke reflectie, en de uitgaande stralen interfereren met elkaar.

De onderzoekers gebruikten zo’n apparaat om een ​​Rydberg-polariton te maken. Een koperoxidekristal, afkomstig uit een steen die werd gewonnen uit oude zwavelafzettingen in Namibië, werd verzacht en gepolijst om een ​​plaat te verkrijgen van 30 micrometer dik (dunner dan een streng mensenhaar!); Deze plaat werd vervolgens tussen twee sterk reflecterende spiegels gestoken.

Grondbeginselen van toekomstige kwantumcircuits

Dankzij het nieuwe apparaat verkreeg het team een ​​Rydberg-polariton met een diameter van 0,5 micrometer, wat 100 keer groter is dan de tot nu toe verkregen! ” Een steen kopen op eBay was eenvoudig. De uitdaging was om Rydberg-polaritons te maken die zich in een zeer smal kleurengamma bevinden Natuurkundige Sai Kiran Rajendran, van de Universiteit van St. Andrews en co-auteur van de studie, bevestigt: het doel is bereikt en dit werk legt de basis voor toekomstige kwantumcircuits met een hoge rekenkracht.

Door het interactiepotentieel van materie te combineren met de snelheid van lichtdeeltjes, kunnen kwantumsimulators belangrijke puzzels in de natuurkunde, scheikunde en biologie oplossen die huidige computers niet kunnen oplossen. De onderzoekers wijzen specifiek op de ontwikkeling van hogetemperatuursupergeleiders voor hogesnelheidstreinen. Deze technologie kan ook helpen om beter te begrijpen hoe eiwitten vouwen, waardoor de productie van effectievere medicijnen wordt vergemakkelijkt.

Het team zet momenteel hun onderzoek voort om de mogelijkheid te onderzoeken om deze polaritons te controleren om kwantumcircuits te fabriceren, het volgende onderdeel van kwantumsimulators. ” Deze resultaten openen de weg voor de realisatie van de sterke exciton-polariton-interactie en de verkenning van de fasen van het hypergebonden materiaal met behulp van licht-op-een-chip. Samenvattend de onderzoekers natuur materialen.

bron : K. Orfanakis et al., Nature Materials