de.wedoany.com-Bericht: Die Forschungsgruppe um Qimiao Si von der Rice University hat in der Zeitschrift Nature Communications eine Arbeit veröffentlicht, die eine neue Methode zur Verstärkung und Nutzung von Quantenverschränkung in makroskopischen Systemen durch die Kopplung von Quantenlicht mit Quantenmaterialien vorschlägt.
Quantenverschränkung, ein Phänomen, das normalerweise nur in Quantensystemen aus wenigen Teilchen beobachtet wird, kann von Forschern genutzt werden, um Quanteninformationen zu speichern und zu verarbeiten. Ob Quantenverschränkung in makroskopischen Systemen mit einer großen Anzahl von Teilchen existieren und genutzt werden kann, ist ein aktueller Forschungsschwerpunkt der Physik. Qimiao Si ist Inhaber des Harry C. and Olga K. Wiess Lehrstuhls für Physik und Astronomie (Harry C. and Olga K. Wiess Professor of Physics and Astronomy) und Direktor der Extreme Quantum Materials Alliance.
Der Kern des theoretischen Ansatzes besteht darin, das Quantenmaterial in einen kleinen Spiegelhohlraum zu platzieren und es nahe an einen Quantenkritischen Punkt zu bringen. Wenn dann Photonen eingebracht werden, wird die für die hybride Verschränkung zwischen Licht und Materie erforderliche Wechselwirkungsschwelle drastisch gesenkt. Die Erzeugung solcher Hohlraum-Photon-Materie-Hybride war lange eine Herausforderung, da sie extrem starke Licht-Materie-Wechselwirkungen erfordert, die technisch nur schwer zu realisieren sind. Diese neue Theorie schlägt vor, dass die Schwelle für den Eintritt in den hybriden Verschränkungszustand gesenkt werden kann, indem das Material nahe an seinen Quantenkritischen Punkt gebracht wird.
Yiming Wang, Doktorand an der Rice University und Co-Erstautor der Studie, erklärt, dass ein Quantenkritischer Punkt der Punkt ist, an dem ein Material zwischen zwei verschiedenen Quantenphasen „wählt“. Das Material befindet sich in einer Phase und kann nur durch Erreichen des Quantenkritischen Punktes in die zweite Phase übergehen. In dieser Theorie können Forscher die Verschränkung von Licht und Materie durch nicht-thermische Methoden (wie das Anlegen von Druck oder das Ändern der chemischen Zusammensetzung) verstärken. Je näher das Material am Quantenkritischen Punkt ist, desto niedriger ist die Schwelle für starke Quantenverschränkung. Wenn dann Licht in den Spiegelhohlraum eingebracht wird, wird es viel einfacher, beide zu verschränken.
Shouvik Sur, Co-Erstautor der Arbeit und ehemaliger Postdoktorand an der Rice University, weist darauf hin, dass sich die individuellen Eigenschaften von Licht und Materie gegenseitig widerspiegeln, sobald sie miteinander verschränkt sind. Wenn das Material beim Eintritt in den Quantenkritischen Punkt und dem Übergang in die zweite Phase mit dem Licht verschränkt ist, wird auch das Licht diesen Übergang vollziehen.
Im letzten Jahr entdeckte das Team um Qimiao Si, dass Quantenverschränkung in Quantenkritischen Materialien, die als seltsame Metalle bekannt sind, sowohl existiert als auch verstärkt wird. Diese Quantenverschränkung könnte eine wichtige Ressource für Quantentechnologien sein – wenn Wissenschaftler einen Weg finden, sie zu extrahieren. Diese neue Theorie ermöglicht die Extraktion von Quantenverschränkung durch Quantenlicht: Nachdem Photonen und Materie verschränkt sind, kann das Licht aus dem Hohlraum extrahiert werden. Ein solches System könnte die Entwicklung von Technologien der nächsten Generation, wie z. B. Quantensensorik, unterstützen.
Qimiao Si erklärt, dass dies letztlich einen Weg aufzeigt, Quantenverschränkung in Materie mithilfe von Quantenlicht zu nutzen, was die Grundlage für die Gewinnung von Quantenverschränkungsressourcen und die Ermöglichung neuer Funktionen von Quantenmaterialien legen könnte.
Die Studie wurde durch das Basic Energy Sciences-Programm des Office of Science des US-Energieministeriums (DE-SC0026179), das Air Force Office of Scientific Research (FA9550-21-1-0356), die Robert A. Welch Foundation (C-1411) und das Vannevar Bush Faculty Fellowship (ONR-VB N00014-23-1-2870) gefördert.
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