Kvanteenergiudveksling:Udforskning af lysfelter og en kvanteemitter

En ny undersøgelse i Physical Review Letters belyser forviklingerne af energiudvekslinger inden for todelte kvantesystemer og giver dybtgående indsigt i kvantekohærens, rene udfasningseffekter og den potentielle indvirkning på fremtidige kvanteteknologier.

I kvantesystemer er partiklernes opførsel og energioverførsel styret af sandsynlighedsfordelinger og bølgefunktioner, hvilket tilføjer lag af kompleksitet til forståelsen af ​​energiudvekslinger.

Udforskningen af ​​energiudvekslinger i kvantesystemer involverer i sagens natur at tackle de kompleksiteter, der opstår som følge af kvantedekohærens, og de skalaer, hvor kvantesystemer opererer, hvilket introducerer følsomhed.

På trods af disse udfordringer er undersøgelse af energiudveksling i kvantesystemer afgørende for at fremme kvanteteknologier og forstå de grundlæggende aspekter af kvantemekanik.

Forskerne sigter mod at bygge bro mellem teoretiske forudsigelser og eksperimentelle observationer inden for kvanteoptik og termodynamik. Ved at udforske energiudvekslinger inden for todelte kvantesystemer stræber undersøgelsen efter at give en omfattende ramme for at forstå den indviklede dynamik, der er i spil.

"Med en baggrund i eksperimentel kvanteoptik under min ph.d.- og akademiske rejse gik jeg over til teori og dykkede ned i kvantetermodynamik for et årti siden og arbejdede konsekvent på at bygge bro mellem disse felter."

"Disse resultater repræsenterer en smuk konkretisering af disse bestræbelser," forklarede prof. Alexia Auffèves, en forskningsdirektør ved CNRS-MajuLab og CQT Singapore gæsteforsker, i en tale til Phys.org. Hun er også medforfatter til undersøgelsen.

Hovedforfatter Prof. Pascale Senellart fra Université Paris-Saclay delte også sin motivation bag forskningen og sagde:"Jeg har dedikeret det sidste årti til at udvikle kunstige atomer ved hjælp af halvlederkvanteprikker, og løbende forfine deres eksperimentelle kontrol og lyskobling. en solid-state emitter i denne forskning har betydelig magt til at adressere virkningen af ​​dekohærens på energiske udvekslinger."

Enheds- og korrelationsenergi

Todelte systemer refererer til kvantesystemer sammensat af to separate enheder eller undersystemer, der ofte udviser sammenfiltring og kvantesuperposition. Energiudvekslinger inden for disse systemer, såsom dem, der er undersøgt i forskningen, giver indsigt i kvantedynamik.

Med ordene fra prof. Auffèves, teoretikeren bag undersøgelsen, "Når to kvantesystemer er koblet, men ellers isoleret, kan de udveksle energi på to måder:enten ved at udøve en kraft på hinanden eller ved at blive viklet ind. Vi døber disse energier. udveksler henholdsvis 'unitary' og 'correlation'."

Denne sondring fremhæver den dobbelte natur af energiinteraktioner inden for todelte systemer, med enhedsenergi, der involverer kræfter og korrelationsenergi, der opstår fra sammenfiltring.

At forstå dynamikken i disse systemer er afgørende for at fremme kvantemekanikken og udvikle applikationer som kvanteberegning. Især todelte systemer er væsentlige komponenter i kvanteporte og algoritmiske operationer, der danner grundlaget for nye kvanteteknologier.

Del 1:Spontan emission af en qubit

I den første del af undersøgelsen fokuserede forskerne på den spontane emission af en qubit, repræsenteret ved en kvanteprik. Kvanteprikker er halvledere i nanoskala, der udviser kvantemekaniske egenskaber.

Det omtales ofte som et kunstigt atom, fordi det ligesom atomer har et diskret energiniveau. Kvanteprikken blev placeret i et reservoir af tomme elektromagnetiske tilstande, hvilket betyder, at der ikke var nogen forstyrrelser eller interaktioner fra elektromagnetiske felter.

"Tidligere teoretiske resultater opnået i min gruppe forudsiger, at mængden af ​​enhedsenergi, der overføres til vakuumfeltet, bør være proportional med den indledende kvantekohærens af qubitten," forklarede prof. Auffèves.

Kort sagt, når qubit'en initialt er forberedt i en lige stor overlejring af jord- og exciterede tilstande, maksimeres overførslen af ​​enhedsenergi til vakuumfeltet.

I et sådant scenarie er den overførte enhedsenergi lig med halvdelen af ​​den samlede energi frigivet af qubit. Tværtimod, hvis qubit'en initialt inverteres, overføres kun korrelationsenergi til feltet. Denne afhængighed af qubit'ens indledende kvantetilstand fremhæver den indviklede natur af energioverførsler i kvantesystemer.

Resultaterne af den første del var præcis, hvad forskerne forventede. Som prof. Auffèves fremhævede:"Eksperimenterne, der er rapporteret i papiret, svarer smukt til vores forventninger. De involverer som en qubit en kvanteprik koblet til et utæt halvledende mikrohulrum."

"Den enhedsenergi, der modtages af feltet, dvs. den energi, der er låst i den kohærente komponent af det udsendte felt, måles ved hjælp af en homodyn-opsætning. Niveauet af eksperimentel kontrol er sådan, at enhedsenergien næsten når den teoretiske grænse, alt efter hvad der er begyndelsestilstand for kvanteprikken."

Dette betyder, at holdet nøjagtigt kunne måle og forstå, hvordan kvantefeltet udveksler energi under denne proces.

Del 2:Kobling af to lysfelter

For den anden del undersøgte forskerne energiudvekslinger mellem det udsendte lysfelt og et sammenhængende referencefelt. Begge felter var indviklet koblet ved hjælp af en stråledeler, en enhed, der almindeligvis anvendes i kvanteoptik til at manipulere lysstrålernes veje.

Undersøgelsen involverede et kvantesystem, der minder om lineær fotonisk kvanteberegning, der inkorporerer interferens af lysfelter gennem stråledelere.

"I modsætning til det første tilfælde var denne undersøgelse ukendt territorium. Dette udløste en spændende dialog mellem teori og eksperiment for at udvide vores koncepter om enheds- og korrelationsenergier til denne nye situation og studere ny adfærd og mønstre," sagde prof. Auffèves.

Den kvantitative analyse afslørede et væsentligt fund:de enhedsenergioverførsler blev vist at være afhængige af renheden og sammenhængen af ​​det udsendte felt. Dette indebærer, at lysfeltets karakteristika, specifikt dets renhed og sammenhæng, spiller en afgørende rolle i at bestemme arten og størrelsen af ​​enhedsenergiudvekslinger.

"I begge tilfælde finder vi, at den enhedsenergi (henholdsvis korrelationsenergi) modtaget af et lysfelt er lig med energiændringen af ​​den kohærente komponent (henholdsvis usammenhængende komponent) af dette felt," forklarede prof. Auffèves.

Førsteforfatter Dr. Ilse Maillette de Buy Wenniger, en postdoc-forsker ved Imperial College London, som tidligere arbejdede ved CNRS sammen med prof. Senellart, fremhævede de udfordringer, man møder eksperimentelt, og sagde:"Isolering af kvanteemitteren for maksimal sammenhæng og effektiv opsamling af udsendt kvantelys til homodyne målinger var afgørende. Dette markerer første gang en superposition af nul- og en foton-tilstande introduceres til et klassisk lysfelt - et vigtigt skridt til at fremme kvantekommunikationsprotokoller."

Kvanteapplikationer og mere

"De rammer, vi er begyndt at opbygge inden for dette papir, kan spille en nøglerolle i fremtidige energiske analyser af fotonisk kvanteberegning," sagde prof. Auffèves.

At forstå energi- og entropiudvekslinger er afgørende for at forbedre processer som forviklingsgenerering og kvanteporte. Håndtering af ren defasering ved højere temperaturer, som afsløret i undersøgelsen, bliver afgørende for effektiv enhedsenergiudveksling, som er nødvendig for at implementere kvanteporte.

Når vi taler om fremtidig forskning, ønsker Prof. Auffèves at fokusere på den grundlæggende side af tingene ved at udforske kvanteoptik med energiske og entropiske værktøjer.

"For eksempel ved at udtrække optiske signaturer af irreversibilitet, eller gensidigt detektere kvantiteten af ​​et felt med energiske værdier. På den praktiske side vil det være vigtigt at vurdere, om og hvordan begreberne enheds- og korrelationsenergi påvirker energien. omkostningerne ved makroskopiske, full-stack kvanteteknologier," konkluderede hun.

Flere oplysninger: I. Maillette de Buy Wenniger et al., Experimental Analysis of Energy Transfers between a Quantum Emitter and Light Fields, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.260401.

Journaloplysninger: Physical Review Letters

© 2024 Science X Network