Forscher der University of Washington haben entdeckt, dass sie das „Atmen“ von Atomen, d. h. die mechanische Vibration zwischen zwei Atomschichten, nachweisen können, indem sie die Art des Lichts beobachten, das diese Atome aussenden, wenn sie durch einen Laser angeregt werden. Der Klang dieses atomaren „Atems“ könnte den Forschern helfen, Quanteninformationen zu kodieren und zu übertragen.
Die Forscher haben außerdem ein Gerät entwickelt, das als neuartiger Baustein für Quantentechnologien dienen könnte, von denen zahlreiche künftige Anwendungen in Bereichen wie Informatik, Kommunikation und Sensorentwicklung erwartet werden.
Die Forscher veröffentlichten diese Ergebnisse am 1. Juni in Nature Nanotechnology.
„Es handelt sich um eine neue Plattform auf atomarer Ebene, die das nutzt, was die Wissenschaft ‚Optomechanik‘ nennt, bei der Licht und mechanische Bewegungen miteinander gekoppelt sind“, sagte der Hauptautor Mo Li, ein UW-Professor für Elektrotechnik und Computertechnik sowie Physik. „Es handelt sich um eine neue Art von Quanteneffekt, der zur Steuerung einzelner Photonen genutzt werden kann, die durch integrierte optische Schaltkreise für viele Anwendungen laufen.“
Zuvor hatte das Team ein Quasiteilchen auf Quantenebene, ein sogenanntes „Exziton“, untersucht. Informationen können in einem Exziton kodiert und dann in Form eines Photons freigesetzt werden – ein winziges Energieteilchen, das als Quanteneinheit des Lichts gilt. Die Quanteneigenschaften jedes emittierten Photons – wie die Polarisation, die Wellenlänge und/oder der Zeitpunkt der Emission – können als Quantenbit für die Quanteninformatik und -kommunikation dienen. Und da dieses Qubit von einem Photon getragen wird, reist es mit Lichtgeschwindigkeit.
„Die Vogelperspektive dieser Forschung ist, dass wir für ein praktikables Quantennetzwerk Möglichkeiten brauchen, um Qubits zuverlässig zu erzeugen, zu bearbeiten, zu speichern und zu übertragen“, sagt die Hauptautorin Adina Ripin, eine UW-Doktorandin der Physik. „Photonen sind eine natürliche Wahl für die Übertragung dieser Quanteninformation, weil optische Fasern es uns ermöglichen, Photonen über große Entfernungen mit hoher Geschwindigkeit und geringen Energie- oder Informationsverlusten zu transportieren.“
Die Forscher arbeiteten mit Exzitonen, um einen Einzelphotonen-Emitter oder „Quantenemitter“ zu schaffen, der eine entscheidende Komponente für Quantentechnologien ist, die auf Licht und Optik basieren. Zu diesem Zweck legte das Team zwei dünne Schichten aus Wolfram- und Selenatomen, das so genannte Wolframdiselenid, übereinander.
Als die Forscher einen präzisen Laserlichtpuls einsetzten, stießen sie ein Elektron eines Wolframdiselenid-Atoms vom Kern ab, wodurch ein Exziton-Quasiteilchen entstand. Jedes Exziton bestand aus einem negativ geladenen Elektron auf einer Schicht des Wolframdiselenids und einem positiv geladenen Loch auf der anderen Schicht, wo sich das Elektron befand. Und da sich entgegengesetzte Ladungen gegenseitig anziehen, waren das Elektron und das Loch in jedem Exziton fest aneinander gebunden. Nach einem kurzen Moment, als das Elektron in das Loch zurückfiel, das es zuvor besetzt hatte, gab das Exziton ein einzelnes Photon ab, das mit Quanteninformationen kodiert war – und erzeugte so den Quantenemitter, den das Team schaffen wollte.
Das Team entdeckte jedoch, dass die Wolframdiselenid-Atome eine andere Art von Quasiteilchen, so genannte Phononen, emittierten. Phononen sind ein Produkt atomarer Schwingungen, die dem Atmen ähnlich sind. In diesem Fall wirkten die beiden Atomlagen des Wolframdiselenids wie winzige Trommelfelle, die relativ zueinander schwingen und Phononen erzeugen. Dies ist das erste Mal, dass Phononen in einem einzelnen Photonenemitter in einem derartigen zweidimensionalen atomaren System beobachtet wurden.
Als die Forscher das Spektrum des emittierten Lichts maßen, stellten sie mehrere gleichmäßig verteilte Spitzen fest. Jedes einzelne von einem Exziton emittierte Photon war mit einem oder mehreren Phononen gekoppelt. Dies ist in etwa so, als würde man eine Quantenenergieleiter Sprosse für Sprosse erklimmen, und im Spektrum wurden diese Energiespitzen durch die gleichmäßig verteilten Spitzen visuell dargestellt.
„Ein Phonon ist die natürliche Quantenschwingung des Wolframdiselenid-Materials und bewirkt, dass das Exziton-Elektronen-Loch-Paar, das sich in den beiden Schichten befindet, vertikal gestreckt wird“, so Li, der auch Mitglied des Lenkungsausschusses für QuantumX der UW und Fakultätsmitglied des Institute for Nano-Engineered Systems ist. „Dies hat einen bemerkenswert starken Einfluss auf die optischen Eigenschaften des vom Exziton emittierten Photons, der bisher noch nie beobachtet wurde.“
Die Forscher waren neugierig, ob sie die Phononen für die Quantentechnologie nutzbar machen könnten. Sie legten eine elektrische Spannung an und stellten fest, dass sie die Wechselwirkungsenergie der assoziierten Phononen und der emittierten Photonen variieren konnten. Diese Variationen waren mess- und steuerbar, und zwar in einer Weise, die für die Codierung von Quanteninformationen in ein einzelnes emittiertes Photon relevant ist. Und das alles wurde in einem integrierten System erreicht – einem Gerät, das nur eine kleine Anzahl von Atomen benötigt.
Als Nächstes plant das Team den Bau eines Wellenleiters – Fasern auf einem Chip, die einzelne Photonenemissionen auffangen und dorthin leiten, wo sie hin sollen – und dann die Vergrößerung des Systems. Anstatt jeweils nur einen Quantenemitter zu steuern, möchte das Team mehrere Emitter und deren zugehörige Phononenzustände kontrollieren können. Dadurch werden die Quantenemitter in die Lage versetzt, miteinander zu „sprechen“, ein Schritt in Richtung einer soliden Basis für Quantenschaltkreise.
„Unser übergeordnetes Ziel ist es, ein integriertes System mit Quantenemittern zu schaffen, das einzelne Photonen, die durch optische Schaltkreise laufen, und die neu entdeckten Phononen für Quantencomputing und Quantensensorik nutzen kann“, so Li. „Dieser Fortschritt wird sicherlich zu diesen Bemühungen beitragen und hilft, das Quantencomputing weiterzuentwickeln, das in Zukunft viele Anwendungen haben wird.“
