Een Russisch-VK onderzoeksteam heeft een theoretische beschrijving voorgesteld voor het nieuwe effect van kwantumgolfmenging met klassieke en niet-klassieke toestanden van microgolfstraling. Dit effect, die voorheen ontbrak aan een rigoureuze wiskundige beschrijving, kan nuttig zijn voor kwantumcomputerwetenschappers en fundamentele natuurkundigen die licht-materie-interacties onderzoeken. De studie is gepubliceerd in Fysieke beoordeling A .

"We hebben een wiskundige taal geformuleerd voor het omgaan met het onconventionele en intrigerende fenomeen van golfvermenging van klassiek licht - coherente elektromagnetische straling - en nogal exotische vormen van niet-klassiek licht, vooral, samengeperst licht en een superpositie van één foton en nul fotonen, die in feite "de helft van een foton, " als u wilt. De studie bouwt voort op ons eerdere werk, waar we eerst een microgolfbron met één foton ontwierpen en deze vervolgens gebruikten om een ​​kwantumsuperpositie te creëren tussen één en nul fotonen in een puls, produceren in feite een half-foton staat, " legt de PI van de studie Oleg Astafiev uit, van Skoltech, MIPT, de Universiteit van Londen, en U.K."s National Physical Laboratory. De resultaten zijn verkregen met belangrijke bijdragen van de eerste auteur, theoretisch fysicus Walter Pogosov van het Dukhov Research Institute of Automatics en het RAS Institute for Theoretical and Applied Electrodynamics, en MIPT experimenteel fysicus Alexey Dmitriev.

De studie is een theoretisch vervolg op eerdere experimenten van de groep met kunstmatige atomen. Dit zijn microscopisch kleine apparaten die een belangrijke eigenschap van de natuurlijke atomen vertonen:een reeks gekwantiseerde energieniveaus.

De eigenschappen van kunstmatige atomen maken ze bruikbaar in twee contexten. Eerst, ze kunnen dienen als qubits, de bouwstenen van kwantumcomputers. Hoewel dat nu een behoorlijk hot topic is, natuurkundigen gebruiken ook kunstmatige atomen om de fundamentele natuurwetten te onderzoeken die bepalen wat er in de kwantumwereld gebeurt. Wat ze nuttig maakt, is de combinatie van kwantumeigenschappen en redelijk beheersbaar in een experiment:je kunt een kunstmatig atoom op een microcircuit plaatsen, verbind het met andere circuitelementen en de omgeving.

In de kwantumoptica, kunstmatige atomen dienen als platform om te onderzoeken hoe materie interageert met licht. In hun eerdere werk, het team introduceerde een microgolfbron met één foton - een apparaat dat op verzoek pulsen van elektromagnetische straling genereert die slechts één lichtdeeltje bevatten. Het werkt op microgolffrequenties, dus de fotonen zijn niet zoals de zichtbare kleuren in de regenboog, maar onzichtbaar, zoals die in je magnetron, en ze reizen langs metalen strips in plaats van een optische kabel. Dat gezegd hebbende, de wetten van de optica blijven ongewijzigd:een foton blijft een foton, zelfs in het microgolffrequentiebereik, hoewel met een veel langere golflengte en kleinere energie.

De auteurs van de studie die in dit verhaal wordt gerapporteerd, hebben theoretisch het effect onderzocht dat bekend staat als golfvermenging. Eerder, ze bestudeerden het voor het geval van klassiek licht:als twee periodieke lichtpulsen met twee dichte maar verschillende frequenties samen voortplanten, verstrooien op een kunstmatig atoom, en stralingsdetectie op het enkel-fotonniveau wordt vele malen uitgevoerd in een experiment om de mogelijkheid vast te stellen om een ​​foton op een bepaalde frequentie waar te nemen, het resulterende spectrum van kansen ziet er ongeveer zo uit:

Zoals verwacht kan worden, de twee hoge pieken zijn de kansen om fotonen te detecteren op de frequenties van de twee initiële lichtpulsen. De pieken bij andere frequenties tonen het resultaat van multifotonverstrooiing en hun hoogten kwantificeren de waarschijnlijkheid van overeenkomstig multifotonproces. De gemiddelde energie verandert niet echt van de eerste pulsen naar de eigenaardige fotonverdeling als gevolg van hun vermenging, het zijn alleen de frequenties die dit merkwaardige effect vertonen.

Alsof gewone golfmixing niet raar genoeg was, het team vroeg zich af wat er zou gebeuren als een van de twee oorspronkelijke pulsen zou worden vervangen door niet-klassiek licht. Vooral, de onderzoekers beschouwden het geval van samengeperst licht en iets dat intuïtief zou kunnen worden opgevat als een 'halve fotonpuls'. Dit verwijst naar een exotische lichttoestand die eerder door het team werd gegenereerd met hun microgolfbron met één foton. De toestand komt neer op een superpositie van één foton en nul fotonen. Een ideale detector detecteert zo'n golf als één foton in 50% van de gevallen en geen fotonen in de overige 50% van de metingen, wat heel logisch is, op een kwantummechanische manier.

Hier is hoe de statistische verdeling van fotonfrequenties eruit ziet voor het geval van kwantummenging tussen een klassieke lichtpuls en de eigenaardige halve fotonpuls (let op de zijpiekasymmetrie in deze opvallende herverdeling van energie):

In tegenstelling tot klassieke golfmenging, het spectrum is gekwantiseerd en bestaat strikt uit drie pieken. De meest linkse weerspiegelt de fotonstatistieken in de nul-één-toestand:er kan slechts één foton bestaan ​​in de gesuperponeerde nul-één-fotontoestand. De andere pieken zijn in principe niet mogelijk omdat er geen multifotontoestanden in de puls zijn.

Focussen op het fenomeen golfmenging, het papier erin Fysieke beoordeling A is de eerste theoretische formulering van de interacties die plaatsvinden door de ongebruikelijke niet-klassieke half-fotonpuls. De onderzoekers voeren nu experimenten uit met de fotonenbron en microgolfverstrooier om hun theoretische bevindingen te bevestigen. Naast het onthullen van de fijne kneepjes van het kwantumgedrag van licht, dergelijk onderzoek draagt ​​uiteindelijk bij aan de hoeveelheid kennis waar kwantumcomputeringenieurs gebruik van maken.