Физики смешали классический свет и полфотона на кубите

Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review A. «Мы аналитически описали весьма необычное явление — смешение классических световых волн с неклассическими, в частности со сжатым светом и „полуфотонным“ импульсом. Эта работа продолжает и развивает более ранние исследования нашего коллектива по разработке однофотонного микроволнового источника и генерации квантовой суперпозиции одного и нуля фотонов, то есть созданию того самого полуфотонного состояния», — рассказывает Олег Астафьев, руководитель исследования, сотрудник Сколтеха, МФТИ, Лондонского университета и Национальной физической лаборатории Великобритании.

Большой вклад в эту работу внесли первый автор статьи физик-теоретик Вальтер Погосов, научный сотрудник Всероссийского научно-исследовательского института автоматики имени Н. Л. Духова и Института теоретической и прикладной электродинамики РАН и экспериментатор Алексей Дмитриев, научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ.

Цель данной работы — теоретическое обоснование как проведенных ранее, так и вновь предлагаемых экспериментов с искусственными атомами, микроскопическими устройствами, для которых характерно основополагающее свойство атомов химических элементов — квантование уровней энергии. Свойства искусственных атомов делают их полезными в двух классах задач. Во-первых, они могут выполнять функцию кубитов — элементов квантового компьютера. В настоящее время эта тема весьма актуальна, но кроме того, физики используют искусственные атомы для исследования фундаментальных законов природы, по которым «живет» квантовый мир.

Преимущество искусственных атомов — наличие квантовых свойств в сочетании с удобством их использования в экспериментах: такой «атом» можно разместить на микросхеме и подключить к другим элементам схемы и внешней среде. В квантовой оптике искусственные атомы можно использовать в качестве платформы для исследования взаимодействия света и материи. В своей предыдущей работе ученые представили однофотонный микроволновый источник, который по запросу генерирует импульсы электромагнитного излучения, содержащие всего одну частицу света.

Устройство работает в микроволновом диапазоне, то есть речь не о фотонах видимого спектра (цвета радуги), а об излучении как в микроволновой печи, и распространяются такие фотоны не по оптическому кабелю, а по металлическим волноводам. При этом законы оптики остаются в силе: микроволновые фотоны — те же фотоны, только с гораздо большей длиной волны и меньшей энергией, чем у видимого света.

Авторы провели теоретическое исследование, в котором изучали так называемый эффект волнового смешения. Ранее тот же эффект ученые исследовали для случая классического светового излучения: два периодически повторяемых световых импульса, излучаемых на различных, но близких друг к другу частотах, движутся вместе и рассеиваются на искусственном атоме. Для этого сценария ученые получили схему распределения вероятностей обнаружения фотонов разных частот.

Как можно было ожидать, два максимума посередине соответствуют вероятностям обнаружения фотонов на частотах излучения двух исходных световых импульсов. Спецификой эффекта волнового смешения обусловлены максимумы на других частотах: они отражают результат многофотонного рассеяния, и высота пика является количественной оценкой вероятности соответствующего многофотонного процесса. Исследователи не ограничились наблюдением необычного эффекта смешения классических волн и решили проверить, что произойдет, если один из двух исходных импульсов заменить на неклассический световой. В частности, ученые рассмотрели случай со сжатым светом и «полуфотонным» импульсом.

Это необычное состояние света, которое было получено учеными ранее с помощью однофотонного источника микроволнового излучения, представляет собой суперпозицию одного — нуля фотонов. Идеальный детектор в половине случаев идентифицирует такую волну как одиночный фотон, в остальных же 50 процентов случаев — как ноль фотонов (вакуум), что вполне логично с точки зрения квантовой физики.

На следующем рисунке показан спектр, отражающий статистическое распределение частот фотонов в случае квантового смешения классического светового и необычного полуфотонного импульсов. Сразу бросается в глаза асимметрия боковых пиков.

В отличие от классического волнового смешения, спектр является квантованным и имеют место строго три пика. Крайний левый пик соответствует статистике фотонов в состоянии «0 — 1»: в состоянии суперпозиции одного — нуля фотонов может находиться только один фотон. Остальные пики в принципе невозможны, так как многофотонные состояния в импульсе отсутствуют.

Таким образом, в посвященной феномену волнового смешения статье в Physical Review A впервые представлено теоретическое описание взаимодействий с участием неклассического полуфотонного импульса. В настоящее время ученые проводят эксперименты с источником фотонов и рассеивателем микроволнового излучения для подтверждения теоретических результатов. Подобные исследования позволяют не только глубже понять тонкости квантового поведения света, но и пополнить комплекс знаний, которые создатели квантовых компьютеров используют в своей работе. 

Сколтех

245 статей

Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.

Показать больше