Een nieuw onderzoek naar Physical Review Letters belicht de complexiteit van energie-uitwisselingen binnen bipartiete kwantumsystemen en biedt diepgaande inzichten in kwantumcoherentie, pure defaseringseffecten en de potentiële impact op toekomstige kwantumtechnologieën.

In kwantumsystemen wordt het gedrag van deeltjes en de energieoverdracht bepaald door waarschijnlijkheidsverdelingen en golffuncties, waardoor lagen van complexiteit worden toegevoegd aan het begrip van energie-uitwisselingen.

Het onderzoek naar energie-uitwisselingen in kwantumsystemen impliceert inherent het aanpakken van de complexiteit die voortkomt uit kwantumdecoherentie en de schaal waarop kwantumsystemen opereren, waarbij gevoeligheid wordt geïntroduceerd.

Ondanks deze uitdagingen is het bestuderen van energie-uitwisselingen in kwantumsystemen van cruciaal belang voor het bevorderen van kwantumtechnologieën en het begrijpen van de fundamentele aspecten van de kwantummechanica.

De onderzoekers willen de kloof overbruggen tussen theoretische voorspellingen en experimentele observaties in de kwantumoptica en thermodynamica. Door de energie-uitwisselingen binnen bipartiete kwantumsystemen te onderzoeken, streeft het onderzoek ernaar een alomvattend raamwerk te bieden voor het begrijpen van de ingewikkelde dynamiek die daarbij speelt.

"Met een achtergrond in experimentele kwantumoptica tijdens mijn doctoraat en academische reis, ben ik overgestapt op theorie, waarbij ik me tien jaar geleden verdiepte in de kwantumthermodynamica, waarbij ik consequent werkte aan het overbruggen van de kloven tussen deze velden."

"Deze resultaten vertegenwoordigen een mooie concretisering van deze inspanningen", verklaarde prof. Alexia Auffèves, onderzoeksdirecteur bij CNRS-MajuLab en gastonderzoeksprofessor van CQT Singapore, in gesprek met Phys.org. Ze is ook co-auteur van het onderzoek.

Hoofdauteur prof. Pascale Senellart van de Université Paris-Saclay deelde ook haar motivatie achter het onderzoek en zei:"Ik heb het afgelopen decennium gewijd aan de ontwikkeling van kunstmatige atomen met behulp van halfgeleiderkwantumdots, waarbij ik voortdurend hun experimentele controle en lichtkoppeling verfijn. een solid-state emitter in dit onderzoek heeft een aanzienlijke macht bij het aanpakken van de impact van decoherentie op energetische uitwisselingen."

Unitaire en correlatie-energie

Bipartiete systemen verwijzen naar kwantumsystemen die zijn samengesteld uit twee afzonderlijke entiteiten of subsystemen, die vaak verstrengeling en kwantumsuperpositie vertonen. Energie-uitwisselingen binnen deze systemen, zoals die welke in het onderzoek zijn bestudeerd, bieden inzicht in de kwantumdynamiek.

In de woorden van prof. Auffèves, de theoreticus achter het onderzoek:“Wanneer twee kwantumsystemen zijn gekoppeld maar anderszins geïsoleerd, kunnen ze op twee manieren energie uitwisselen:door een kracht op elkaar uit te oefenen of door verstrikt te raken. We noemen deze energie wisselt respectievelijk 'unitair' en 'correlatie' uit."

Dit onderscheid benadrukt het dubbele karakter van energie-interacties binnen bipartiete systemen, waarbij eenheidsenergie krachten met zich meebrengt en correlatie-energie die voortkomt uit verstrengeling.

Het begrijpen van de dynamiek binnen deze systemen is cruciaal voor het bevorderen van de kwantummechanica en het ontwikkelen van toepassingen zoals kwantumcomputers. In het bijzonder zijn bipartiete systemen essentiële componenten in kwantumpoorten en algoritmische operaties, die de basis vormen voor opkomende kwantumtechnologieën.

Deel 1:Spontane emissie van een qubit

In het eerste deel van het onderzoek concentreerden de onderzoekers zich op de spontane emissie van een qubit, weergegeven door een kwantumdot. Kwantumdots zijn halfgeleiders op nanoschaal met kwantummechanische eigenschappen.

Het wordt vaak een kunstmatig atoom genoemd omdat het, net als atomen, een discreet energieniveau heeft. De quantum dot werd in een reservoir van lege elektromagnetische modi geplaatst, wat betekent dat er geen verstoringen of interacties door elektromagnetische velden waren.

"Eerdere theoretische resultaten verkregen in mijn groep voorspellen dat de hoeveelheid unitaire energie die naar het vacuümveld wordt overgedragen evenredig moet zijn aan de initiële kwantumcoherentie van de qubit", legt prof. Auffèves uit.

Simpel gezegd:wanneer de qubit aanvankelijk wordt voorbereid in een gelijke superpositie van grond- en aangeslagen toestanden, wordt de overdracht van unitaire energie naar het vacuümveld gemaximaliseerd.

In een dergelijk scenario is de overgedragen eenheidsenergie gelijk aan de helft van de totale energie die door de qubit wordt vrijgegeven. Integendeel, als de qubit aanvankelijk wordt omgekeerd, wordt alleen correlatie-energie naar het veld overgedragen. Deze afhankelijkheid van de initiële kwantumtoestand van de qubit benadrukt de ingewikkelde aard van energieoverdrachten in kwantumsystemen.

De resultaten van het eerste deel waren precies wat de onderzoekers verwachtten. Zoals prof. Auffèves benadrukte:"De experimenten die in het artikel worden gerapporteerd, voldoen prachtig aan onze verwachtingen. Ze omvatten als een qubit een kwantumstip gekoppeld aan een lekkende halfgeleidende microholte."

"De unitaire energie die door het veld wordt ontvangen, dat wil zeggen de energie die is opgesloten in de coherente component van het uitgezonden veld, wordt gemeten met behulp van een homodyne-opstelling. Het niveau van experimentele controle is zodanig dat de unitaire energie bijna de theoretische grens bereikt, afhankelijk van wat de grens is. begintoestand van de kwantumdot."

Dit betekent dat het team nauwkeurig kan meten en begrijpen hoe het kwantumveld tijdens dit proces energie uitwisselt.

Deel 2:Twee lichtvelden koppelen

Voor het tweede deel onderzochten de onderzoekers de energie-uitwisselingen tussen het uitgezonden lichtveld en een coherent referentieveld. Beide velden werden op ingewikkelde wijze gekoppeld met behulp van een bundelsplitser, een apparaat dat vaak wordt gebruikt in de kwantumoptica voor het manipuleren van de paden van lichtstralen.

Bij het onderzoek was een kwantumsysteem betrokken dat doet denken aan lineaire fotonische kwantumcomputers, waarbij interferenties van lichtvelden via bundelsplitsers zijn geïntegreerd.

"In tegenstelling tot het eerste geval was dit onderzoek onbekend terrein. Dit veroorzaakte een spannende dialoog tussen theorie en experiment om onze concepten van unitaire en correlatie-energieën uit te breiden naar deze nieuwe situatie en nieuw gedrag en patronen te bestuderen", aldus prof. Auffèves.

De kwantitatieve analyse bracht een significante bevinding aan het licht:de unitaire energieoverdrachten bleken afhankelijk te zijn van de zuiverheid en coherentie van het uitgezonden veld. Dit impliceert dat de kenmerken van het lichtveld, met name de zuiverheid en samenhang ervan, een cruciale rol spelen bij het bepalen van de aard en omvang van unitaire energie-uitwisselingen.

"In beide gevallen ontdekken we dat de unitaire energie (respectievelijk correlatie-energie) die door een lichtveld wordt ontvangen gelijk is aan de energieverandering van de coherente component (respectievelijk incoherente component) van dit veld", legt prof. Auffèves uit. P>

Eerste auteur Dr. Ilse Maillette de Buy Wenniger, een postdoctoraal onderzoeker aan het Imperial College London die voorheen samen met prof. Senellart bij CNRS werkte, benadrukte de uitdagingen waarmee experimenteel te maken kreeg, door te zeggen:"Het isoleren van de kwantumzender voor maximale coherentie en het efficiënt verzamelen van uitgezonden kwantumlicht voor homodyne metingen waren van cruciaal belang. Dit is de eerste keer dat een superpositie van nul- en één-fotontoestanden wordt geïntroduceerd in een klassiek lichtveld – een essentiële stap voor het bevorderen van kwantumcommunicatieprotocollen."

Kwantumtoepassingen en meer

"Het raamwerk dat we binnen dit artikel zijn gaan bouwen, zou een sleutelrol kunnen spelen in toekomstige energetische analyses van fotonische kwantumcomputing", aldus prof. Auffèves.

Het begrijpen van energie- en entropie-uitwisselingen is cruciaal voor het verbeteren van processen zoals het genereren van verstrengeling en kwantumpoorten. Het beheersen van pure defasering bij hogere temperaturen, zoals blijkt uit het onderzoek, wordt van cruciaal belang voor een efficiënte unitaire energie-uitwisseling, die nodig is om kwantumpoorten te implementeren.

Over toekomstig onderzoek gesproken:prof. Auffèves wil zich concentreren op de fundamentele kant van de zaak door de kwantumoptica te onderzoeken met energetische en entropische hulpmiddelen.

"Bijvoorbeeld door optische handtekeningen van onomkeerbaarheid te extraheren, of omgekeerd, de kwantumheid van een veld te detecteren met energetische cijfers van verdienste. Aan de praktische kant zal het belangrijk zijn om te beoordelen of en hoe de concepten van unitaire en correlatie-energie de energie beïnvloeden kosten van macroscopische, full-stack kwantumtechnologieën", concludeerde ze.

Meer informatie: I. Maillette de Buy Wenniger et al., Experimentele analyse van energieoverdrachten tussen een kwantumzender en lichtvelden, Fysieke recensiebrieven (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.260401.

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

© 2024 Science X Netwerk