En rysk-U.K. Forskargruppen har föreslagit en teoretisk beskrivning av den nya effekten av kvantvågsblandning som involverar klassiska och icke-klassiska tillstånd av mikrovågsstrålning. Denna effekt, som tidigare saknade en noggrann matematisk beskrivning, kan vara till nytta för kvantdatavetare och fundamentala fysiker som undersöker ljus-materia-interaktioner. Studien publiceras i Fysisk granskning A .

"Vi har formulerat ett matematiskt språk för att hantera det okonventionella och spännande fenomenet vågblandning av klassiskt ljus - koherent elektromagnetisk strålning - och ganska exotiska former av icke-klassiskt ljus, särskilt, klämt ljus och en superposition av en foton och noll fotoner, som effektivt innehåller "en halva av en foton, " om du vill. Studien bygger på vårt tidigare arbete, där vi först designade en mikrovågskälla med en foton och sedan använde den för att skapa en kvantöverlagring mellan en och noll fotoner i en puls, producerar i själva verket ett halvfotontillstånd, " förklarar studiens PI Oleg Astafiev, från Skoltech, MIPT, University of London, och U.K."s National Physical Laboratory. Resultaten har erhållits med stora bidrag från första författaren, teoretisk fysiker Walter Pogosov från Dukhov Research Institute of Automatics och RAS Institute for Theoretical and Applied Electrodynamics, och MIPT experimentell fysiker Alexey Dmitriev.

Studien är en teoretisk uppföljning av gruppens tidigare experiment med artificiella atomer. Dessa är mikroskopiska enheter som uppvisar en nyckelegenskap hos de naturliga atomerna:en serie kvantiserade energinivåer.

Konstgjorda atomers egenskaper gör dem användbara i två sammanhang. Först, de kan fungera som qubits, byggstenarna i kvantdatorer. Även om det är ett ganska hett ämne nu, fysiker använder också konstgjorda atomer för att undersöka de grundläggande naturlagarna som styr vad som händer i kvantvärlden. Det som gör dem användbara är kombinationen av kvantegenskaper och att de är ganska hanterbara i ett experiment:Du kan sätta en konstgjord atom på en mikrokrets, koppla den till andra kretselement och miljön.

Inom kvantoptik, konstgjorda atomer fungerar som en plattform för att undersöka hur materia interagerar med ljus. I deras tidigare arbete, teamet introducerade en mikrovågskälla med en foton – en enhet som genererar pulser av elektromagnetisk strålning på begäran som bara innehåller en ljuspartikel. Den fungerar vid mikrovågsfrekvenser, så fotonerna är inte som de synliga färgerna i regnbågen utan osynliga, som de i din mikrovågsugn, och de färdas längs metallremsor istället för en optisk kabel. Som sagt, optikens lagar förblir oförändrade:En foton förblir en foton, även i mikrovågsfrekvensområdet, dock med mycket längre våglängd och mindre energi.

Författarna till studien som rapporterades i denna berättelse undersökte teoretiskt effekten som kallas vågblandning. Tidigare, de studerade det för fallet med klassiskt ljus:Om två periodiska ljuspulser vid två nära men olika frekvenser utbreder sig tillsammans, spridning på en konstgjord atom, och strålningsdetektering på singelfotonnivån utförs många gånger i ett experiment för att registrera möjligheten att observera en foton vid vilken given frekvens som helst, det resulterande spektrumet av sannolikheter ser ut ungefär så här:

Som man kan förvänta sig, de två höga topparna är sannolikheten för att detektera fotoner vid frekvenserna för de två initiala ljuspulserna. Topparna vid andra frekvenser visar resultatet av multifotonspridning och deras höjder kvantifierar sannolikheten för motsvarande multifotonprocess. Den genomsnittliga energin förändras inte riktigt från de initiala pulserna till den speciella fotonfördelningen som blir resultatet av deras blandning, det är bara frekvenserna som uppvisar denna märkliga effekt.

Som om vanlig vågblandning inte var konstigt nog, teamet undrade vad som skulle hända om en av de två ursprungliga pulserna ersattes av icke-klassiskt ljus. Särskilt, forskarna övervägde fallet med klämt ljus och något som intuitivt kunde förstås som en "halvfotonpuls". Detta hänvisar till ett exotiskt tillstånd av ljus som genererats av teamet tidigare med sin enfoton mikrovågskälla. Tillståndet motsvarar en överlagring av en foton och noll fotoner. En idealisk detektor upptäcker en sådan våg som en foton i 50 % av fallen och inga fotoner i de återstående 50 % av mätningarna, vilket är väldigt vettigt, på ett kvantmekaniskt sätt.

Så här ser den statistiska fördelningen av fotonfrekvenser ut för fallet med kvantblandning mellan en klassisk ljuspuls och den märkliga halvfotonpulsen (lägg märke till sidotoppsasymmetrin i denna slående energiomfördelning):

I motsats till klassisk vågblandning, spektrumet är kvantiserat och består strikt av tre toppar. Den längst till vänster återspeglar fotonstatistiken i noll-ett-tillståndet:endast en foton kan existera i det överlagrade noll-en-fotontillståndet. De andra topparna är i princip inte möjliga eftersom det inte finns några multifotontillstånd i pulsen.

Med fokus på fenomenet vågblandning, papperet i Fysisk granskning A är den första teoretiska formuleringen av de interaktioner som den ovanliga icke-klassiska halvfotonpulsen utför. Forskarna utför nu experiment med fotonkällan och mikrovågsspridaren för att bekräfta sina teoretiska fynd. Förutom att avslöja invecklingarna i ljusets kvantbeteende, sådan forskning bidrar i slutändan till den kunskap som kvantdatoringenjörer använder sig av.