اپتیک و کوانتوم

در مطالعه جدیدی که در Nature Communications منتشر شده است، دانشمندان مؤسسه اپتیک و دپارتمان فیزیک و نجوم روچستر، تکنیکی را برای کوپل کردن ذرات نور و صدا توصیف می کنند که می تواند برای تبدیل اطلاعات ذخیره شده در سیستم های کوانتومی - کیوبیت ها - به میدان های نوری استفاده شود، که در فواصل طولانی قابل انتقال است.

امواج صوتی سطحی ارتعاشاتی هستند که در امتداد بیرونی مواد مانند موج در اقیانوس یا لرزش در امتداد زمین در هنگام زلزله منتشر می شوند. آنها برای کاربردهای مختلفی استفاده می شوند - بسیاری از اجزای الکتریکی تلفن های ما دارای فیلترهای موج صوتی سطحی هستند - زیرا حفره های بسیار دقیقی ایجاد می کنند که می تواند برای زمان بندی دقیق در مواردی مانند ناوبری استفاده شود. اما دانشمندان استفاده از آنها را در کاربردهای کوانتومی نیز آغاز کرده اند. ویلیام رنینگر، دانشیار اپتیک و فیزیک، می گوید: «در 10 سال گذشته، امواج صوتی سطحی به عنوان منبع خوبی برای کاربردهای کوانتومی پدیدار شده اند، زیرا فونون، یا ذره منفرد صوت، به خوبی با سیستم های مختلف جفت می شود.

با استفاده از روش‌های موجود، امواج صوتی سطحی از طریق مواد پیزوالکتریک برای تبدیل الکتریسیته به امواج صوتی و بالعکس قابل دسترسی، دستکاری و کنترل می‌شوند. محققان آزمایشگاه رنینگر به‌جای اتصال فونون‌ها به میدان‌های الکتریکی، روشی کمتر تهاجمی را امتحان کردند و نور را  برای دستکاری امواج صوتی سطحی به کار بردند و نیاز به تماس مکانیکی را از بین بردند.

Arjun Iyer، دکترای اپتیک می گوید: «ما توانستیم امواج صوتی سطحی را به شدت با نور جفت کنیم. ما حفره‌های آکوستیک یا محفظه‌های کوچک اکو را برای این امواج طراحی کردیم که در آن صدا می‌تواند برای مدت طولانی دوام بیاورد و امکان برهمکنش‌های قوی‌تر را فراهم می‌کند. نکته قابل‌توجه، تکنیک ما بر روی هر ماده‌ای کار می‌کند، نه فقط مواد پیزوالکتریکی که می‌توانند به صورت الکتریکی کنترل شوند.

تیم رنینگر با آزمایشگاه دانشیار فیزیک جان نیکول برای ساخت دستگاه‌های موج صوتی سطحی که در این مطالعه توضیح داده شد، همکاری کرد. این دستگاه‌ها علاوه بر تولید کوپلینگ کوانتومی قوی، مزایای بیشتری از جمله ساخت ساده، اندازه کوچک و توانایی مدیریت مقادیر زیاد توان را دارند. فراتر از کاربردها در محاسبات کوانتومی ترکیبی، این تیم می‌گوید از تکنیک‌های آنها می‌توان برای طیف‌سنجی برای کشف ویژگی‌های مواد، به عنوان حسگرها، و مطالعه فیزیک ماده متراکم استفاده کرد.

More information: Arjun Iyer et al, Coherent optical coupling to surface acoustic wave devices, Nature Communications (2024)