Naukowcom z polsko-niemieckiego zespołu badawczego Politechniki Wrocławskiej, Uniwersytetów z Augsburga i Münster oraz z Monachium udało się wymieszać nanoskalowe fale dźwiękowe z kwantami światła. W badaniach, których wyniki zostały właśnie opublikowane w prestiżowym czasopiśmie "Optica", wykorzystali sztuczny atom, który przekształca drgania fali dźwiękowej z niespotykaną dotąd precyzją w pojedyncze kwanty światła – fotony.

Fale świetlne i dźwiękowe stanowią podstawę nowoczesnych technologii komunikacyjnych. Światło służy do przesyłania danych w globalnej sieci światłowodowej. Natomiast urządzenia wykorzystujące fale dźwiękowe są używane w bezprzewodowej komunikacji między routerami, tabletami lub smartfonami. Te dwie kluczowe technologie trzeba teraz przystosować do nadchodzącej ery komunikacji kwantowej. Kluczowe są tutaj tak zwane hybrydowe technologie kwantowe.

Hybrydowe technologie kwantowe łączą światło i dźwięk

Łączą one odmienne układy kwantowe, wykorzystując wyjątkowe zalety każdego z nich, a jednocześnie przezwyciężając ich ograniczenia. - W tej dziedzinie drgania sieci krystalicznej są szczególnie obiecujące – wyjaśnia prof. Hubert Krenner, który kieruje badaniami na Uniwersytecie w Augsburgu. Dodaje, że fonony, bo tak fizycy nazywają te drgania, rozciągają i ściskają dosłownie każdy obiekt osadzony w krysztale, zmieniając w ten sposób jego właściwości fizyczne.

W swoich badaniach naukowcy stosują powierzchniowe fale akustyczne w skali nanometrowej, wprawiając w drgania pojedynczy sztuczny atom, tak zwaną kropkę kwantową, i zmieniając w ten sposób kolor emitowanego światła.

- W naszych symulacjach byliśmy w stanie niemal idealnie odtworzyć widma zmierzone w Augsburgu, włączając do naszego modelu nanoskalowe fale dźwiękowe, tak jakby wiązkę fononowego lasera. Przedstawione wyniki badań są kamieniem milowym w rozwoju hybrydowych technologii kwantowych, ponieważ kropka kwantowa emituje pojedyncze kwanty światła, tak zwane fotony, które są precyzyjnie taktowane przez falę dźwiękową - opowiada podekscytowany dr Daniel Wigger, stypendysta NAWA-ULAM, który bada sprzężenie między kropkami kwantowymi, a fononami na Uniwersytecie w Münster i na Politechnice Wrocławskiej.

Z kolei dr Matthias Weiß, który obronił doktorat w Instytucie Fizyki w Augsburgu, dodaje, że to fascynujące, że linie widmowe kropek kwantowych wytworzonych w Monachium są tak niezwykle ostre. - To pozwoliło nam zaobserwować, jak niewielka energia pojedynczego fononu przesuwa linię widmową kropki kwantowej -p tłumaczy dr Matthias Weiß.

Najmniejsze porcje energii

Zespół badawczy zrobił jeszcze jeden kluczowy krok naprzód. Naukowcy użyli drugiej fali dźwiękowej o innej częstości. W widmie kropki kwantowej pojawiły się nowe linie widmowe, które odpowiadają sumie lub różnicy częstości dwóch fal dźwiękowych. Prof. Hubert Krenner zauważa, że zjawisko to jest od dziesięcioleci dobrze znane w optyce jako mieszanie fal.

- Wskaźniki laserowe wykorzystują ten proces do generowania zielonego światła. W naszej pracy lasery to fale dźwiękowe, które mieszamy z kwantami światła – mówi prof. Hubert Krenner, który uważa, że precyzja tego zjawiska zapiera dech w piersiach.

Dr Matthias Weiß dodaje, że gdy naukowcy zmienili częstotliwość jednej z dwóch fal dźwiękowych o jedną bilionową, zaobserwowali, jak widmo oscyluje z okresem około pół dnia, zgodnie z przewidywaniami. Sama kropka kwantowa reprezentuje tak zwany kubit, podstawową jednostkę w informatyce kwantowej.

Dr Daniel Wigger zwraca zaś uwagę, że badacze w modelu rozważaliśmy kropkę kwantową jako kubit, który jest modulowany przez falę dźwiękową. Poza tym nie musieli przyjmować żadnych założeń. Naukowcy są przekonani, że wyjątkowa zgodność między obliczeniami a wynikami eksperymentów dowodzi, że ich bardzo ogólny model dokładnie opisuje wszystkie kluczowe właściwości. Dlatego powinien mieć zastosowanie również w wielu innych implementacjach kubitów.

Sukces owocem wspólnych nowatorskich badań

W swoich przełomowych badaniach polsko-niemiecka grupa wykorzystuje swoje wieloletnie doświadczenie. Prof. Paweł Machnikowski z Politechniki Wrocławskiej i prof. Tilmann Kuhn z Uniwersytetu w Münster prowadzili pionierskie prace nad teoretycznym opisem sprzężenia między kropkami kwantowymi i fononami, które prof. Hubert Krenner bada eksperymentalnie.

- W tym projekcie skorzystaliśmy z wyjątkowego związku między teorią i eksperymentem. Pomocne było też nasze bogate, wspólne doświadczenie, sięgające realizacji projektu europejskiego, a następnie mojego pobytu w zespole prof. Tilmanna Kuhna w Münster w ramach stażu naukowego. Cieszę się, że teraz z kolei dr. Daniel Wigger po doktoracie u prof. Tilmanna Kuhna zdecydował się odbyć 2-letni staż w moim zespole naukowym – tłumaczy prof. Paweł Machnikowski, dziekan Wydziału Podstawowych Problemów Techniki PWr.

Zadowolony jest również prof. Tilmann Kuhn z Münster, który dodaje, że do tej pory fonony były często postrzegane jedynie jako uciążliwość w kontrolowaniu stanów kwantowych i podejmowano próby wyeliminowania ich wpływu, na ile było to możliwe.

- W pracy pokazujemy, że fonony mogą być używane w wysoce kontrolowany sposób do sterowania układem kwantowym – mówi prof. Tilmann Kuhn.

Praca opublikowana w "Optica", to pierwszy krok w kierunku przyszłych fononowych technologii kwantowych. Dr Matthias Weiß przeprowadził już nowe eksperymenty, których wyniki dr Daniel Wigger opracowuje na Politechnice Wrocławskiej od strony teoretycznej.

ula