Ученые ИТМО показали возможность превращения атомов различных веществ в поляритоны – квантовые частицы, в равных пропорциях состоящих из материи и света, распространяющихся в оптическом волокне. В новом состоянии материи фотоны и атомы находятся в режиме ультра-сильной связи, которой раньше достичь не удавалось. Результаты проекта помогут в создании квантовой памяти.

Статья опубликована в Physical Review Letters.

Корректировать свойства вещества можно как химически, смешивая его с другими веществами, так и физически, например, при сильном охлаждении металл переходит в сверхпроводящее состояние. Физики Университета ИТМО осуществляют сходные «превращения» сравнительно по-новому – с помощью света, просто воздействуя на материю высокоинтенсивным световым пучком или создавая условия для ультра-сильной связи между атомом и фотоном, при которой и возникает новая частица поляритон.

Чаще всего, чтобы обеспечить условия для интенсивного взаимодействия атомов и фотонов, необходимые при получении поляритонов, используются оптический резонатор. В него направляется свет, который практически не может выбраться обратно наружу. Частицы света многократно отражаются от внутренних стенок резонатора, тем самым постоянно взаимодействуя с помещенными в него атомами. Так, после «обстрела» атомов фотонами между ними появляется сильная связь, способствующая возникновению квазичастицы.

«Ограничение этого метода в том, что возможность появления поляритонов существует только при наличии внешнего светового источника. Получается, если выключить свет, то все свойства вернутся в исходное состояние, и вероятность получения квантовой частицы снизится к нулю. Кроме того, в резонатор сложно поместить более одного атома, что негативно сказывается на общем результате», – рассказывает профессор Нового физтеха Университета ИТМО Иван Иорш.

Ученые ИТМО в рамках гранта РНФ нашли способ, во-первых, обеспечить более сильную «коммуникацию» между веществом и светом, во-вторых, воздействовать сразу на целый массив атомов. В частности, они установили, что использование волновода – оптического волокна – вместо резонатора является более перспективным методом смены фазы веществ.

Фактически принцип действия остается прежним: вместо фотонов в резонаторе на атомы воздействуют фотоны в волноводе. Однако в такой системе связь света с материей настолько крепка, что позволяет достигать нужного эффекта даже без использования внешней «подсветки». Режим ультра-сильной связи, который показали физики ИТМО, частично решает проблему создания квантовой памяти, связанную с ее неустойчивостью.

«Квантовая память обеспечивает высокую безопасность в хранении информации, но она остается достаточно «хрупкой». При попытке считать те или иные закрытые данные есть вероятность безвозвратно их потерять. Поляритоны в данном случае интересны тем, что их фотонная часть делает их идеальными носителями единиц информации – кубитов, а атомы обеспечивают связь поляритонов с другими квазичастицами и открывают больше возможностей по управлению ими. Так, получая «долгоживущие» квазичастицы, можно повысить устойчивость квантовой системы в целом», – заключил Иван Иорш.