Ερευνητές του Πανεπιστημίου της Οτάβα και του Ινστιτούτου Nexus for Quantum Technologies, σε συνεργασία με επιστήμονες του Πανεπιστημίου Federico II της Ιταλίας, ανέπτυξαν έναν προγραμματιζόμενο κβαντικό προσομοιωτή που χρησιμοποιεί μια δέσμη φωτός για να αναπαράγει τον τρόπο με τον οποίο κινούνται τα σωματίδια μέσα σε πολύπλοκα υλικά, χωρίς να απαιτείται η κατασκευή ολοένα μεγαλύτερων και πιο σύνθετων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων.
Τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν στα περιοδικά Light: Science & Applications και Advanced Photonics.
Το φως αντί για πολύπλοκα κυκλώματα
Αντί να συνδέουν περίπλοκα ηλεκτρονικά κυκλώματα, οι ερευνητές διαμορφώνουν με ακρίβεια τη χωρική κατανομή και την πόλωση του φωτός – δύο εσωτερικούς βαθμούς ελευθερίας των φωτονίων – ώστε αυτά να εξελίσσονται όπως ακριβώς θα κινούνταν τα ηλεκτρόνια μέσα σε έναν κρύσταλλο.
Η λειτουργία του συστήματος βασίζεται σε τρεις προγραμματιζόμενες οπτικές διατάξεις, γνωστές ως διαμορφωτές χωρικού φωτός (spatial light modulators). Με μια απλή αλλαγή στο λογισμικό, ολόκληρο το πείραμα μπορεί να επαναπρογραμματιστεί για να προσομοιώσει ένα εντελώς διαφορετικό φυσικό σύστημα.
«Προγραμματίζουμε τη δομή του φωτός όπως ένας μουσικός κουρδίζει το όργανό του. Κάθε διαμόρφωση επιτρέπει στα φωτόνια να “περπατήσουν” μέσα σε ένα διαφορετικό εικονικό υλικό και μπορούμε να αλλάζουμε ανάμεσα σε εκατοντάδες διαφορετικά σενάρια χωρίς να αγγίζουμε τα οπτικά στοιχεία», δήλωσε ο καθηγητής Φυσικής Εμπραχίμ Καρίμι.
Πάνω από 300 διαφορετικές κβαντικές διεργασίες
Η ερευνητική ομάδα δοκίμασε την πλατφόρμα τόσο με κλασικό φως λέιζερ όσο και με μεμονωμένα φωτόνια.
Το σύστημα εκτέλεσε περισσότερες από 300 διαφορετικές κβαντικές διεργασίες, ενώ κατάφερε να διαχέει μία μόνο εισερχόμενη δέσμη φωτός σε χιλιάδες διαφορετικά κανάλια εξόδου.
Σε μία σειρά πειραμάτων, ο προσομοιωτής αναπαρήγαγε τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα των τοπολογικών υλικών, μιας ιδιαίτερης κατηγορίας υλικών των οποίων η εσωτερική γεωμετρία προστατεύει την κίνηση των ηλεκτρονίων από διαταραχές – μια ιδιότητα που θεωρείται ιδιαίτερα σημαντική για τις ηλεκτρονικές τεχνολογίες επόμενης γενιάς.
«Η τοπολογία αποτελεί ένα από τα πιο ενεργά πεδία έρευνας στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης, όμως η άμεση παρατήρηση των φαινομένων της είναι εξαιρετικά δύσκολη. Η οπτική μας πλατφόρμα μάς επιτρέπει να τα παρακολουθούμε σε πραγματικό χρόνο, απευθείας σε μια κάμερα», εξήγησε ο ερευνητής Αλέσιο Ντ’Έρικο.
Προσομοίωση πολύπλοκων γεωμετριών
Οι δυνατότητες του συστήματος δεν περιορίζονται σε επίπεδα πλέγματα.
Με τον επαναπρογραμματισμό των οπτικών μοτίβων, η ίδια πειραματική διάταξη μπορεί να προσομοιώσει την κίνηση σωματιδίων πάνω σε κλειστούς βρόχους, κυλίνδρους και επιφάνειες σε σχήμα τόρου – γνωστές και ως επιφάνειες «ντόνατ».
Οι γεωμετρίες αυτές περιγράφουν ιδιότητες προηγμένων κβαντικών υλικών, οι οποίες μέχρι σήμερα σπάνια είχαν αναπαραχθεί σε καθαρά φωτονικά πειράματα.
«Ένας τόρος ή ένας κύλινδρος μπορεί να ακούγονται αφηρημένες έννοιες, όμως ενσωματώνουν πραγματική φυσική. Το γεγονός ότι μπορούμε να εξερευνήσουμε όλες αυτές τις γεωμετρίες σε μία μόνο επαναπρογραμματιζόμενη εργαστηριακή διάταξη αποτελεί ουσιαστική πρόοδο για την κβαντική προσομοίωση», ανέφερε ο Ντ’Έρικο.
Ένα νέο εργαστήριο κβαντικής ύλης
Επειδή όλη η πληροφορία μεταφέρεται μέσω του φωτός, κάθε στάδιο της κβαντικής εξέλιξης μπορεί να καταγραφεί απευθείας με κάμερα, προσφέροντας στους ερευνητές μια εξαιρετικά καθαρή εικόνα διεργασιών που συνήθως παραμένουν κρυμμένες στο εσωτερικό στερεών υλικών.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, η νέα πλατφόρμα ανοίγει τον δρόμο για τη μελέτη της κβαντικής μεταφοράς, τη διερεύνηση τοπολογικών φαινομένων και την ανάπτυξη βασικών δομικών στοιχείων για μελλοντικές κβαντικές τεχνολογίες.
«Ουσιαστικά μετατρέψαμε το φως σε ένα ελεγχόμενο εργαστήριο για τη μελέτη της κβαντικής ύλης. Πολύπλοκες δυναμικές μπορούν πλέον να σχεδιάζονται, να παρατηρούνται και να γίνονται κατανοητές με μια καθαρότητα που μέχρι σήμερα δεν ήταν διαθέσιμη», κατέληξε ο Καρίμι.