Команда дослідників з Кембріджського університету і Сколтеха виявила, що поляритони – незвичайні частки, які можуть стати основою квантового суперкомп’ютера майбутнього, здатні утворювати структури, за своєю поведінкою нагадують молекули.

Такі «штучні молекули» в перспективі можна буде створювати по запиту з наперед заданими властивостями. Стаття з описом результатів дослідження опублікована в журналі Physical Review B Letters.

Поляритон являє собою квантову частку, що складається з фотона та екситона. Завдяки унікальному дуету світла і матерії, поляритон відкриває широкі перспективи для створення нового покоління пристроїв на основі поляритонів. Наукові співробітники Факультету прикладної математики та теоретичної фізики Кембридзького університету Олександр Джонстон і Кирило Калінін, а також професор Центру фотоніки та квантових матеріалів Сколтеха і Кембридзького університету Наталя Берлофф показали, що геометрично пов’язані поляритонні конденсати, присутні в напівпровідникових пристроях, здатні моделювати молекули з різними властивостями.

«У нашій роботі ми показуємо, що кластери співзалежних поляритонних і фотонних конденсатів можуть утворювати ряд екзотичних і абсолютно різних структур — «молекул», впливати на які можна штучним чином. Ці «штучні молекули» та конденсати у їх складі мають принципово різні енергетичні стани, оптичні властивості та моди коливань», — розповідає Олександр Джонстон.

В процесі чисельного моделювання двох, трьох і чотирьох співзалежних поляритонних конденсатів дослідники звернули увагу на наявність незвичайних асиметричних стаціонарних станів; при цьому лише деякі з конденсатів мали однакову щільність в основному стані. «В ході подальшого дослідження ми виявили, що такі стани можуть приймати самі різні форми, якими можна управляти, налаштовуючи окремі фізичні параметри системи. На основі цих спостережень ми зробили припущення про існування «штучних поляритонних молекул» і запропонували досліджувати можливості їх використання у квантових інформаційних системах», — продовжує Олександр Джонстон.

Зокрема, дослідники розглянули так звану «асиметричну діаду», що складається з двох взаємодіючих конденсатів з нерівною кількістю частинок, попри те, що на них потрапляє однакова кількість світла. При об’єднанні двох діад утворюється тетрадна структура, аналогічна в якомусь сенсі гомоядерній молекулі, наприклад, молекулі водню H2. Крім того, штучні поляритонні молекули можуть утворювати більш складні структури, які можна розглядати як «штучні поляритонні з’єднання».

«Ми не бачимо ніяких перешкод для створення більш складних структур. Так, наше дослідження дозволило виявити наявність у зошитових конфігурацій широкого спектру екзотичних асиметричних станів, причому в деяких структурах все конденсати мали різну щільність (незважаючи на однакову міцність всіх з’єднань), що дозволяє провести аналогію з хімічними сполуками », – додає Олександр Джонстон.

Якщо в окремих зошитових структурах кожну асиметричну диаду розглядати як окремий «спін», який визначається орієнтацією асиметрії щільності, то це спричинить за собою цікаві зміни в ступенях свободи системи (незалежних фізичних параметрах, необхідних для визначення станів): за рахунок наявності «спинив» з’явиться дискретна ступінь свободи на додаток до безперервним ступенями свободи, які визначаються фазами конденсату.

Управляти відносної орієнтацією кожної з диад можна, варіюючи силу зв’язків між ними. Оскільки використання деякої гібридної дискретно-безперервної системи може підвищити точність і ефективність квантової інформаційної системи, дослідники запропонували використовувати в якості основи такої системи гібридну зошитових структуру.

«Крім того, ми виявили безліч екзотичних асиметричних станів у тріадних та зошитових систем. Для забезпечення плавного переходу від одного стану до іншого досить просто змінити потужність лазера при отриманні конденсатів. З огляду на наявність такої властивості, можна припустити, що ці стани можуть стати основою для поляритонной логічної системи, яка використовує не нуль і одиницю як в класичних обчисленнях, а більш широкий набір дискретних станів. За допомогою такої логіки можна було б створювати поляритонні пристрої з істотно більш низьким рівнем розсіювання потужності в порівнянні з традиційними методами, причому працюють на кілька порядків швидше », – зазначає професор Наталія Берлофф.