Fysikere blander klassisk lys med en halv foton på en qubit

Et russisk-U.K. forskerhold har foreslået en teoretisk beskrivelse af den nye effekt af kvantebølgeblanding, der involverer klassiske og ikke-klassiske tilstande af mikrobølgestråling. Denne effekt, som tidligere manglede en streng matematisk beskrivelse, kunne være til nytte for kvantecomputerforskere og fundamentale fysikere, der undersøger lys-stof-interaktioner. Undersøgelsen er publiceret i Fysisk gennemgang A .

"Vi har formuleret et matematisk sprog til at håndtere det ukonventionelle og spændende fænomen med bølgeblanding af klassisk lys - kohærent elektromagnetisk stråling - og temmelig eksotiske former for ikke-klassisk lys, i særdeleshed, klemt lys og en superposition af en foton og nul fotoner, som effektivt indeholder "den ene halvdel af en foton, "om du vil. Undersøgelsen bygger på vores tidligere arbejde, hvor vi først designede en enkelt-foton mikrobølgekilde og derefter brugte den til at skabe en kvantesuperposition mellem en og nul fotoner i en puls, producerer i realiteten en halvfotontilstand, " forklarer undersøgelsens PI Oleg Astafiev, af Skoltech, MIPT, University of London, og U.K."s National Physical Laboratory. Resultaterne er opnået med store bidrag fra førsteforfatteren, teoretisk fysiker Walter Pogosov fra Dukhov Research Institute of Automatics og RAS Institute for Theoretical and Applied Electrodynamics, og MIPT eksperimentel fysiker Alexey Dmitriev.

Undersøgelsen er en teoretisk opfølgning på gruppens tidligere eksperimenter med kunstige atomer. Disse er mikroskopiske enheder, der udviser en nøgleegenskab ved de naturlige atomer:en række kvantificerede energiniveauer.

Egenskaberne ved kunstige atomer gør dem nyttige i to sammenhænge. Først, de kan tjene som qubits, byggestenene i kvantecomputere. Selvom det er et ret varmt emne nu, fysikere bruger også kunstige atomer til at undersøge de grundlæggende naturlove, der styrer, hvad der sker i kvanteverdenen. Det, der gør dem nyttige, er kombinationen af ​​kvanteegenskaber og at være nogenlunde håndterbare i et eksperiment:Du kan sætte et kunstigt atom på et mikrokredsløb, forbinde den til andre kredsløbselementer og miljøet.

I kvanteoptik, kunstige atomer tjener som en platform til at undersøge, hvordan stof interagerer med lys. I deres tidligere arbejde, holdet introducerede en enkelt-foton mikrobølgekilde - en enhed, der genererer pulser af elektromagnetisk stråling efter behov, som kun indeholder en lyspartikel. Den fungerer ved mikrobølgefrekvenser, så fotonerne er ikke som de synlige farver i regnbuen, men usynlige, som dem i din mikrobølgeovn, og de rejser langs metalstrimler i stedet for et optisk kabel. Det sagt, optikkens love forbliver uændrede:En foton forbliver en foton, selv i mikrobølgefrekvensområdet, dog med en meget længere bølgelængde og mindre energi.

Forfatterne af undersøgelsen rapporteret i denne historie undersøgte teoretisk effekten kendt som bølgeblanding. Tidligere, de studerede det for klassisk lys:Hvis to periodiske lysimpulser ved to tætte, men forskellige frekvenser forplanter sig sammen, spredes på et kunstigt atom, og strålingsdetektion på enkeltfotonniveau udføres mange gange i et eksperiment for at registrere muligheden for at observere en foton ved enhver given frekvens, det resulterende spektrum af sandsynligheder ser nogenlunde sådan ud:

Som man kunne forvente, de to høje toppe er sandsynligheden for at detektere fotoner ved frekvenserne af de to indledende lysimpulser. Toppene ved andre frekvenser demonstrerer resultatet af multifotonspredning, og deres højder kvantificerer sandsynligheden for tilsvarende multifotonproces. Gennemsnitsenergien ændrer sig ikke rigtig fra de indledende impulser til den ejendommelige fotonfordeling som følge af deres blanding, det er kun frekvenserne, der udviser denne mærkelige effekt.

Som om almindelig bølgeblanding ikke var mærkelig nok, holdet spekulerede på, hvad der ville ske, hvis en af ​​de to originale impulser blev erstattet af ikke-klassisk lys. I særdeleshed, forskerne betragtede tilfældet med klemt lys og noget, der intuitivt kunne forstås som en "halvfotonpuls." Dette refererer til en eksotisk lystilstand genereret af holdet tidligere med deres enkelt-foton mikrobølgekilde. Tilstanden svarer til en superposition af en foton og nul fotoner. En ideel detektor spotter en sådan bølge som én foton i 50 % af tilfældene og ingen fotoner i de resterende 50 % af målingerne, hvilket giver meget mening, på en kvantemekanisk måde.

Her er, hvordan den statistiske fordeling af fotonfrekvenser ser ud for tilfældet med kvanteblanding mellem en klassisk lysimpuls og den ejendommelige halvfotonimpuls (bemærk sidespidsasymmetrien i denne slående energiomfordeling):

I modsætning til klassisk bølgeblanding, spektret er kvantiseret og består udelukkende af tre toppe. Den længst til venstre afspejler fotonstatistikken i nul-en-tilstanden:Kun én foton kan eksistere i den overlejrede nul-en-fotontilstand. De andre toppe er i princippet ikke mulige, fordi der ikke er multifotontilstande i pulsen.

Med fokus på fænomenet bølgeblanding, papiret ind Fysisk gennemgang A er den første teoretiske formulering af de vekselvirkninger, som den usædvanlige ikke-klassiske halv-foton-puls involverer. Forskerne udfører nu eksperimenter med fotonkilden og mikrobølgesprederen for at bekræfte deres teoretiske resultater. Udover at afsløre forviklingerne af lysets kvanteadfærd, sådan forskning bidrager i sidste ende til den viden, som kvantecomputeringeniører trækker på.