En ny studie i Physical Review Letters belyser krångligheterna i energiutbyte inom tvådelade kvantsystem, och erbjuder djupgående insikter om kvantkoherens, rena fasavvecklingseffekter och den potentiella inverkan på framtida kvantteknologier.
I kvantsystem styrs partiklars beteende och energiöverföring av sannolikhetsfördelningar och vågfunktioner, vilket lägger till skikt av komplexitet till förståelsen av energiutbyten.
Utforskningen av energiutbyte i kvantsystem involverar i sig att ta itu med komplexiteten som uppstår från kvantdekoherens och de skalor som kvantsystem verkar på, vilket introducerar känslighet.
Trots dessa utmaningar är studier av energiutbyte i kvantsystem avgörande för att utveckla kvantteknologier och förstå de grundläggande aspekterna av kvantmekanik.
Forskarna siktar på att överbrygga gapet mellan teoretiska förutsägelser och experimentella observationer inom kvantoptik och termodynamik. Genom att utforska energiutbyten inom tvådelade kvantsystem strävar studien efter att tillhandahålla ett heltäckande ramverk för att förstå den invecklade dynamiken i spelet.
"Efter att ha en bakgrund i experimentell kvantoptik under min doktorsexamen och akademiska resa övergick jag till teori, grävde ner mig i kvanttermodynamik för ett decennium sedan, och arbetade konsekvent för att överbrygga klyftor mellan dessa områden."
"Dessa resultat representerar en vacker konkretisering av dessa ansträngningar," förklarade Prof. Alexia Auffèves, forskningschef vid CNRS-MajuLab och CQT Singapore gästforskarprofessor, i ett tal till Phys.org. Hon är också medförfattare till studien.
Huvudförfattaren Prof. Pascale Senellart från Université Paris-Saclay delade också sin motivation bakom forskningen och sa:"Jag har ägnat det senaste decenniet åt att utveckla konstgjorda atomer med hjälp av halvledarkvantprickar, och kontinuerligt förfina deras experimentella kontroll och ljuskoppling. en solid-state emitter i denna forskning har betydande makt när det gäller att ta itu med effekten av dekoherens på energiska utbyten."
Tvådelade system hänvisar till kvantsystem som består av två separata enheter eller delsystem, som ofta uppvisar intrassling och kvantöverlagring. Energiutbyten inom dessa system, såsom de som studerats i forskningen, ger insikter om kvantdynamik.
Med ord från professor Auffèves, teoretikern bakom studien, "När två kvantsystem kopplas ihop men annars isolerade kan de utbyta energi på två sätt:antingen genom att utöva en kraft på varandra eller genom att trassla in sig. Vi dubbar denna energi. utbyter 'enhetlig' respektive 'korrelation'."
Denna distinktion belyser den dubbla naturen hos energiinteraktioner inom tvådelade system, med enhetlig energi som involverar krafter och korrelationsenergi som härrör från intrassling.
Att förstå dynamiken inom dessa system är avgörande för att utveckla kvantmekaniken och utveckla applikationer som kvantberäkning. Speciellt tvådelade system är viktiga komponenter i kvantportar och algoritmiska operationer, som utgör grunden för framväxande kvantteknologier.
I den första delen av studien fokuserade forskarna på den spontana emissionen av en qubit, representerad av en kvantprick. Kvantpunkter är halvledare i nanoskala som uppvisar kvantmekaniska egenskaper.
Den kallas ofta för en artificiell atom eftersom den, precis som atomer, har en diskret energinivå. Kvantpunkten placerades i en reservoar av tomma elektromagnetiska lägen, vilket betyder att det inte förekom några störningar eller interaktioner från elektromagnetiska fält.
"Tidigare teoretiska resultat som erhållits i min grupp förutspår att mängden enhetlig energi som överförs till vakuumfältet bör vara proportionell mot den initiala kvantkoherensen för qubiten", förklarade prof. Auffèves.
Enkelt uttryckt, när qubiten initialt prepareras i en lika stor överlagring av mark och exciterade tillstånd, maximeras överföringen av enhetlig energi till vakuumfältet.
I ett sådant scenario är den överförda enhetsenergin lika med hälften av den totala energin som frigörs av qubiten. Tvärtom, om qubiten initialt inverteras, överförs endast korrelationsenergin till fältet. Detta beroende av qubitens initiala kvanttillstånd belyser den komplicerade naturen hos energiöverföringar i kvantsystem.
Resultaten av den första delen var precis vad forskarna förväntade sig. Som Prof. Auffèves betonade, "Experimenten som rapporteras i tidningen uppfyller på ett vackert sätt våra förväntningar. De involverar som en kvantprick en kvantprick kopplad till en läckande halvledande mikrokavitet."
"Den enhetsenergi som tas emot av fältet, d.v.s. energin som är låst i den koherenta komponenten av det emitterade fältet, mäts med hjälp av en homodynuppsättning. Nivån på experimentell kontroll är sådan att den enhetliga energin nästan når den teoretiska gränsen, beroende på vilket som är initialtillståndet för kvantpunkten."
Detta innebär att teamet kan mäta och förstå hur kvantfältet utbyter energi under denna process.
För den andra delen undersökte forskarna energiutbyten mellan det emitterade ljusfältet och ett referenskoherent fält. Båda fälten var intrikat kopplade med hjälp av en stråldelare, en enhet som vanligen används inom kvantoptik för att manipulera ljusstrålars vägar.
Studien involverade ett kvantsystem som påminner om linjär fotonisk kvantberäkning, som innehåller störningar av ljusfält genom stråldelare.
"Till skillnad från det första fallet var den här studien okänt territorium. Detta utlöste en spännande dialog mellan teori och experiment för att utvidga våra begrepp om enhets- och korrelationsenergier till denna nya situation och studera nya beteenden och mönster", säger Prof. Auffèves.
Den kvantitativa analysen avslöjade ett betydande fynd:de enhetliga energiöverföringarna visades vara beroende av renheten och koherensen hos det utsända fältet. Detta innebär att ljusfältets egenskaper, särskilt dess renhet och koherens, spelar en avgörande roll för att bestämma arten och storleken av enhetliga energiutbyten.
"I båda fallen finner vi att den enhetliga energin (respektive korrelationsenergin) som tas emot av ett ljusfält är lika med energiförändringen av den koherenta komponenten (respektive den inkoherenta komponenten) av detta fält", förklarade prof. Auffèves.
Förstaförfattaren Dr. Ilse Maillette de Buy Wenniger, en postdoktor vid Imperial College London som tidigare arbetade vid CNRS med Prof. Senellart lyfte fram de utmaningar som experimentellt ställs inför, och sa:"Isolera kvantemittern för maximal koherens och effektivt samla in emitterat kvantljus för homodyn Mätningar var avgörande. Detta markerar första gången en superposition av noll- och enfotontillstånd introduceras i ett klassiskt ljusfält – ett viktigt steg för att utveckla kvantkommunikationsprotokoll."
"Det ramverk som vi har börjat bygga inom detta dokument kan spela en nyckelroll i framtida energiska analyser av fotonisk kvantberäkning", säger prof. Auffèves.
Att förstå energi- och entropiutbyten är avgörande för att förbättra processer som generering av intrassling och kvantportar. Att hantera ren avfasning vid högre temperaturer, som avslöjades i studien, blir avgörande för ett effektivt enhetligt energiutbyte, vilket behövs för att implementera kvantportar.
På tal om framtida forskning vill Prof. Auffèves fokusera på den grundläggande sidan av saker och ting genom att utforska kvantoptik med energiska och entropiska verktyg.
"Till exempel genom att extrahera optiska signaturer av irreversibilitet, eller ömsesidigt, detektera kvantiteten hos ett fält med energiska meritvärden. På den praktiska sidan kommer det att vara viktigt att bedöma om och hur begreppen enhets- och korrelationsenergi påverkar energin kostnaden för makroskopiska, full-stack kvantteknologier", avslutade hon.
Mer information: I. Maillette de Buy Wenniger et al, Experimentell analys av energiöverföringar mellan en kvantemitter och ljusfält, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.260401.
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
© 2024 Science X Network
