תצפית ראשונה ב”בליעה דו-פוטונית לעיבוי קוונטי”

הישג ניסויי של חוקרים בטכניון בתחום העיבוי הקוונטי עשוי להאיץ מחקרים בעיבוד מידע קוונטי ובמגוון תחומים במדעים מדויקים ובמדעי החיים. את המחקר שהתפרסם בכתב העת Optica הובילו הדוקטורנט נדב לנדאו ופרופ’ אלכס חייט מהפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע”ש ויטרבי.

מימין: הדוקטורנט נדב לנדאו ופרופ’ אלכס חייט

עיבוי קוונטי הוא תופעה פיזיקלית שבה מספר רב של חלקיקי חומר שומר על קוהרנטיות בזמן ובמרחב – תכונה חשובה מאוד עבור רבות מהטכנולוגיות הקוונטיות המתפתחות כיום. עיבוי קוונטי מעורר אופטית, כלומר על ידי פוטונים, הושג עד כה רק באמצעות בליעה חד-פוטונית – תהליך שבו פוטון יחיד מעורר חלקיק חומר למצב בעל אנרגיה גבוהה יותר, שם מתרחש העיבוי.

לבליעה דו-פוטונית, שבמהלכה נבלעים שני פוטונים בחומר בעת ובעונה אחת, ישנם יתרונות מדעיים וטכנולוגיים רבים, ובין השאר היא חיונית ליישומי זיכרון קוונטי ארוך-טווח. מצבי החומר אליהם ניתן להגיע בתהליך בליעה כזה מאופיינים בפליטה ירודה של אור, ולכן קרויים בהקשר זה “מצבים חשוכים”.

כדי לייצר בליעה דו-פוטונית שתוביל לעיבוי, נדרשים תנאים ייחודיים שלא הושגו עד כה בשל אתגרים טכנולוגיים ומדעיים מורכבים. בין השאר, נדרשים לייזרים בעוצמה גבוהה במיוחד ופולסים אולטרה-קצרים בזמן כדי להימנע מחימום. חוקרי הטכניון התגברו על האתגרים האמורים ובמאמר הם מציגים עיבוי קוונטי בתהליך בליעה דו-פוטוני בשבב מוליך למחצה. הישג זה סולל את הדרך לטכנולוגיות קוונטיות חדשות הניתנות למימוש מעשי על ידי צימוד “מצבים חשוכים” לעיבויים קוונטיים בפלטפורמת מצב מוצק.

אחד היישומים המבטיחים של פריצת הדרך הוא מימוש מקורות לייזר יעילים במיוחד בתחום תדרי הטרה-הרץ (THz) של הקרינה האלקטרומגנטית. מקורות כאלה חיוניים ליישומים רבים בתחום החישה הביולוגית, האבטחה, מדע החומרים והתקשורת, אולם מציאתם מהווה אתגר רב שנים הקשור באילוצים פיזיקליים יסודיים. התוצאה אליה הגיעו החוקרים יכולה לאפשר, באופן עקרוני, השגה של פליטת THz מוגברת בסדרי גודל באמצעות תהליך של פליטה באילוץ כפול.

במחקר תמכה הקרן הלאומית למדע

לקריאת המאמר – לחצו כאן

התמונה מציגה דיאגרמת פסי אנרגיה של מיקרו-מהוד מבוסס מוליך-למחצה מסוג GaAs כפי שנחקר בניסוי, שנוצר בו עיבוי קוונטי של קוואזי-חלקיקים מצומדי אור-חומר הקרויים אקסיטון-פולריטונים (Exciton-polaritons) – באמצעות בליעה דו-פוטונית. ההישג סולל את הדרך לסכמות בקרה קוהרנטית חדשות ולמימוש מקור לייזר יעיל בתחום תדרי הטרה-הרץ (THz) של הקרינה האלקטרומגנטית