Sieci polarytonowe

Projekt dotyczy badań polarytonów ekscytonowych, niezwykle interesujących cząstek kwantowych, które mogą znaleźć zastosowania w różnorodnych dziedzinach, takich jak niezwykle dokładne pomiary interferometryczne, lasery o ultraniskiej mocy, czy też przetwarzanie informacji z bardzo małymi stratami energii.

fot. Michał Łepecki Polarytony ekscytonowe powstają w materiałach półprzewodnikowych o specjalnie zaprojektowanej strukturze, na skutek silnego sprzężenia fotonów z ekscytonami, czyli cząstkami materialnymi złożonymi z elektronu i "dziury". Polarytony, są cząstkami mającymi strukturę "kota Schrodingera" –  stan kwantowy zawiera dwie alternatywy: kot żywy, gdy ekscyton istnieje lub martwy, gdy zamiast ekscytonu w układzie znajduje się foton.

Projekt InterPol ma na celu realizację w warunkach laboratoryjnych sieci polarytonowych jako półprzewodnikowej platformy dla symulacji kwantowych. Głównym celem jest osiągnięcie reżimu silnych korelacji kwantowych, w którym oddziaływania pojedynczych polarytonów przeważą dekoherencję, związaną ze stratami fotonów, co umożliwi stworzenie prostych symulatorów kwantowych. Projekt może odegrać znaczącą rolę w rozwoju łatwiej dostępnych technologii kwantowych, a także przyczynić się do zrozumienia fizyki układów nierównowagowych w nanoskali.

fot. Michał Łepecki Realizacja projektu podzielona została na pięć zadań badawczych. Pierwsze polegało na stworzeniu statycznych sieci polarytonowych za pomocą specjalnie opracowanych metod nakładania warstw atomowych oraz wytrawiania struktur o określonej geometrii. Następnie zaplanowano stworzenie sieci o zmiennej geometrii, dzięki zastosowaniu nowatorskich metod sprzężenia światła z materią. W etapie trzecim uzyskane próbki zostały użyte do stworzenia kwantowych faz w reżimie silnych korelacji. W kolejnym kroku zostanie zastosowana tzw. ochrona topologiczna stanów kwantowych, co pozwoli znacząco wydłużyć ich czas życia. Osobnym zadaniem jest opracowanie zupełnie nowych modeli teoretycznych układów polarytonowych, co jest niezbędne  do pełnego zrozumienia obserwacji eksperymentalnych. Strona polska uczestniczy w pracach teoretycznych, wspomagając prowadzone eksperymenty oraz rozwijając teorię faz kwantowych.

fot. Michał Łepecki Główne dotychczasowe osiągnięcia projektu obejmują syntezę i charakterystykę dwuwymiarowych siatek Lieba  i mikrofilarów w celu zbadania silnego oddziaływania polarytonów oraz wytworzenie sieci polarytonowych w tzw. otwartej wnęce. Są to podstawowe układy, które pozwolą na zaimplementowanie symulatorów kwantowych. Badania eksperymentalne układów sieciowych doprowadziły do obserwacji emisji chiralnego światła z mikrolaserów, solitonów w przerwie energetycznej i płaskich pasm energetycznych w układach  polarytonowych. Ponadto, w siatce o strukturze plastra miodu utworzono sztuczne pola cechowania dla fotonów, co jest narzędziem niezwykle przydatnym w symulacjach kwantowych. W dwuwymiarowych sieciach Lieba zaobserwowano efekt sprzężenia spinowo-orbitalnego, rozszczepienie polaryzacji i stany topologiczne. Od strony teoretycznej opracowano nową metodę badania dysypatywnego modelu Bosego-Hubbarda, co doprowadziło do odkrycia interesującego bistabilnego kryształu czasu.

Do najciekawszych wyników uzyskanych przez polską grupę należy zaproponowanie idei i realizacja eksperymentalna sieci polarytonowej, umożliwiającej implementację uczenia maszynowego w układzie kwantowym. Koncepcja ta jest obecnie intensywnie rozwijana we współpracy z grupami doświadczalnymi, a także stała się inspiracją dla nowego projektu NCN realizowanego w konsorcjum z grupą doświadczalną z Uniwersytetu Warszawskiego.