양자 기술의 새로운 빌딩 블록인 원자 사이의 '숨결'

워싱턴 대학의 연구원들은 레이저로 자극을 받았을 때 원자가 방출하는 빛의 유형을 관찰함으로써 원자 “호흡” 또는 두 원자층 사이의 기계적 진동을 감지할 수 있음을 발견했습니다. 이 원자 “호흡”의 소리는 연구원이 양자 정보를 인코딩하고 전송하는 데 도움이 될 수 있습니다.

연구원들은 또한 컴퓨팅, 통신 및 센서 개발과 같은 분야에서 많은 미래 응용 프로그램을 가질 것으로 널리 예상되는 양자 기술을 위한 새로운 유형의 빌딩 블록 역할을 할 수 있는 장치를 개발했습니다.

연구원들은 이 연구 결과를 6월 1일에 발표했습니다. 자연 나노기술.

“이것은 빛과 기계적 움직임이 본질적으로 함께 결합된 과학계에서 ‘광역학’이라고 부르는 것을 사용하는 새로운 원자 규모의 플랫폼입니다. . “많은 응용 분야에서 집적 광학 회로를 통해 실행되는 단일 광자를 제어하는 ​​데 사용할 수 있는 새로운 유형의 관련 양자 효과를 제공합니다.”

이전에 팀은 “여기자”라고 하는 양자 수준의 준입자를 연구했습니다. 정보는 엑시톤으로 인코딩된 다음 빛의 양자 단위로 간주되는 작은 에너지 입자인 광자 형태로 방출될 수 있습니다. 광자의 편광, 파장 및/또는 방출 타이밍과 같은 방출된 각 광자의 양자 속성은 양자 컴퓨팅 및 통신을 위한 정보의 양자 비트 또는 “큐비트”로 기능할 수 있습니다. 그리고 이 큐비트는 광자에 의해 운반되기 때문에 빛의 속도로 이동합니다.

“이 연구의 조감도는 양자 네트워크를 실현 가능하게 하려면 큐비트를 안정적으로 생성, 작동, 저장 및 전송하는 방법이 필요하다는 것입니다.”라고 UW 물리학 박사 과정 학생인 수석 저자인 Adina Ripin은 말했습니다. “광자는 이 양자 정보를 전송하기 위한 자연스러운 선택입니다. 광섬유를 사용하면 에너지나 정보의 손실이 적으면서 고속으로 광자를 장거리 전송할 수 있기 때문입니다.”

연구원들은 빛과 광학을 기반으로 하는 양자 기술의 핵심 구성 요소인 단일 광자 방출기 또는 “양자 방출기”를 만들기 위해 엑시톤으로 작업했습니다. 이를 위해 연구팀은 텅스텐 디셀레나이드(tungsten diselenide)로 알려진 텅스텐과 셀레늄 원자로 된 두 개의 얇은 층을 서로의 위에 배치했습니다.

연구원들이 정밀한 레이저 광 펄스를 가했을 때 텅스텐 디셀렌화물 원자의 전자를 핵에서 떼어내어 엑시톤 준입자를 생성했습니다. 각 엑시톤은 텅스텐 디셀레나이드의 한 층에 있는 음전하 전자와 다른 층에 전자가 있던 양전하 정공으로 구성됩니다. 그리고 반대 전하끼리는 서로 끌어당기기 때문에 각 엑시톤의 전자와 정공은 서로 단단히 결합되어 있었다. 잠시 후 전자가 이전에 차지했던 구멍으로 다시 떨어지면서 엑시톤은 양자 정보로 인코딩된 단일 광자를 방출하여 팀이 만들려고 했던 양자 방출기를 생성했습니다.

그러나 연구팀은 텅스텐 디셀레나이드 원자가 포논(phonon)으로 알려진 또 다른 유형의 준입자를 방출하고 있음을 발견했습니다. 포논은 호흡과 유사한 원자 진동의 산물입니다. 여기에서 텅스텐 디셀레나이드의 두 원자층은 서로에 대해 진동하는 작은 드럼헤드처럼 작용하여 포논을 생성합니다. 이러한 유형의 2차원 원자 시스템에서 단일 광자 방출기에서 포논이 관찰된 것은 이번이 처음입니다.

연구원들이 방출된 빛의 스펙트럼을 측정했을 때, 그들은 균일한 간격으로 몇 개의 피크를 발견했습니다. 여기자에 의해 방출된 모든 단일 광자는 하나 이상의 포논과 결합되었습니다. 이것은 양자 에너지 사다리를 한 번에 하나씩 오르는 것과 다소 유사하며 스펙트럼에서 이러한 에너지 스파이크는 동일한 간격의 피크로 시각적으로 표시됩니다.

포논은 이셀렌화 텅스텐 물질의 자연 양자 진동이며, 두 층에 있는 엑시톤 전자-정공 쌍을 세로로 늘리는 효과가 있습니다. UW의 QuantumX이며 Nano-Engineered Systems 연구소의 교수진입니다. “이것은 이전에 보고된 적이 없는 여기자가 방출하는 광자의 광학적 특성에 현저하게 강력한 영향을 미칩니다.”

연구원들은 양자 기술을 위해 포논을 활용할 수 있는지 궁금했습니다. 그들은 전압을 인가하고 관련된 포논과 방출된 광자의 상호작용 에너지를 변화시킬 수 있음을 확인했습니다. 이러한 변화는 양자 정보를 단일 광자 방출로 인코딩하는 것과 관련된 방식으로 측정 가능하고 제어 가능했습니다. 그리고 이것은 모두 하나의 통합 시스템에서 이루어졌습니다. 적은 수의 원자만 포함된 장치입니다.

다음으로 팀은 도파관(단일 광자 방출을 포착하여 필요한 곳으로 안내하는 칩의 섬유)을 구축한 다음 시스템을 확장할 계획입니다. 한 번에 하나의 양자 방사체만 제어하는 ​​대신 팀은 여러 방사체와 관련 포논 상태를 제어할 수 있기를 원합니다. 이것은 양자 방출기가 서로 “대화”할 수 있게 하여 양자 회로를 위한 견고한 기반을 구축하는 단계입니다.

“우리의 가장 중요한 목표는 광학 회로를 통해 실행되는 단일 광자와 양자 컴퓨팅 및 양자 감지를 수행하기 위해 새로 발견된 포논을 사용할 수 있는 양자 방출기와 통합 시스템을 만드는 것입니다.”라고 Li는 말했습니다. “이 발전은 확실히 그러한 노력에 기여할 것이며, 미래에 많은 응용 프로그램을 갖게 될 양자 컴퓨팅을 더욱 발전시키는 데 도움이 될 것입니다.”

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/06/230601155957.htm