Un russo-britannico Il team di ricerca ha proposto una descrizione teorica per il nuovo effetto della miscelazione delle onde quantistiche che coinvolge stati classici e non classici della radiazione a microonde. Questo effetto, che in precedenza mancava di una rigorosa descrizione matematica, potrebbe essere utile agli scienziati informatici quantistici e ai fisici fondamentali che sondano le interazioni luce-materia. Lo studio è pubblicato su Revisione fisica A .

"Abbiamo formulato un linguaggio matematico per gestire il fenomeno non convenzionale e intrigante del mescolamento delle onde della luce classica - radiazione elettromagnetica coerente - e forme piuttosto esotiche di luce non classica, in particolare, luce spremuta e una sovrapposizione di un fotone e zero fotoni, che effettivamente contiene "metà di un fotone, " se vuoi. Lo studio si basa sul nostro lavoro precedente, dove abbiamo prima progettato una sorgente a microonde a singolo fotone e poi l'abbiamo usata per creare una sovrapposizione quantistica tra uno e zero fotoni in un impulso, producendo in effetti uno stato semifotonico, " spiega il PI dello studio Oleg Astafiev, di Skoltech, MIPT, l'Università di Londra, e National Physical Laboratory del Regno Unito. I risultati sono stati ottenuti con importanti contributi del primo autore, il fisico teorico Walter Pogosov del Dukhov Research Institute of Automatics e del RAS Institute for Theoretical and Applied Electrodynamics, e il fisico sperimentale del MIPT Alexey Dmitriev.

Lo studio è un seguito teorico ai precedenti esperimenti del gruppo sugli atomi artificiali. Questi sono dispositivi microscopici che esibiscono una proprietà chiave degli atomi naturali:una serie di livelli di energia quantizzati.

Le proprietà degli atomi artificiali li rendono utili in due contesti. Primo, possono servire come qubit, gli elementi costitutivi dei computer quantistici. Anche se questo è un argomento piuttosto caldo ora, i fisici usano anche atomi artificiali per sondare le leggi fondamentali della natura che governano ciò che accade nel mondo quantistico. Ciò che li rende utili è la combinazione di proprietà quantistiche e l'essere abbastanza gestibili in un esperimento:puoi mettere un atomo artificiale su un microcircuito, collegarlo ad altri elementi del circuito e all'ambiente.

In ottica quantistica, gli atomi artificiali servono come piattaforma per studiare come la materia interagisce con la luce. Nel loro lavoro precedente, il team ha introdotto una sorgente a microonde a fotone singolo, un dispositivo che genera impulsi di radiazione elettromagnetica su richiesta che contengono solo una particella di luce. Funziona alle frequenze delle microonde, quindi i fotoni non sono come i colori visibili nell'arcobaleno ma invisibili, come quelli nel tuo forno a microonde, e viaggiano su strisce di metallo invece che su un cavo ottico. Detto ciò, le leggi dell'ottica rimangono invariate:un fotone rimane un fotone, anche nella gamma di frequenze delle microonde, sebbene con una lunghezza d'onda molto più lunga e un'energia più piccola.

Gli autori dello studio riportati in questa storia hanno esaminato teoricamente l'effetto noto come wave mixing. In precedenza, l'hanno studiato per il caso della luce classica:se due impulsi luminosi periodici a due frequenze vicine ma diverse si propagano insieme, disperso su un atomo artificiale, e il rilevamento della radiazione a livello del singolo fotone viene eseguito molte volte in un esperimento per registrare la possibilità di osservare un fotone a una data frequenza, lo spettro di probabilità risultante assomiglia a questo:

Come ci si può aspettare, i due picchi alti sono le probabilità di rilevare fotoni alle frequenze dei due impulsi luminosi iniziali. I picchi ad altre frequenze dimostrano il risultato della diffusione multifotonica e le loro altezze quantificano la probabilità del corrispondente processo multifotonico. L'energia media non cambia realmente dagli impulsi iniziali alla peculiare distribuzione di fotoni risultante dalla loro miscelazione, sono solo le frequenze che esibiscono questo curioso effetto.

Come se il normale mixaggio delle onde non fosse abbastanza strano, il team si è chiesto cosa sarebbe successo se uno dei due impulsi originali fosse stato sostituito da una luce non classica. In particolare, i ricercatori hanno considerato il caso della luce compressa e qualcosa che potrebbe essere intuitivamente compreso come un "impulso di mezzo fotone". Questo si riferisce a uno stato esotico di luce generato dal team in precedenza con la loro sorgente di microonde a fotone singolo. Lo stato equivale a una sovrapposizione di un fotone e zero fotoni. Un rivelatore ideale individua un'onda come un fotone nel 50% dei casi e nessun fotone nel restante 50% delle misurazioni, che ha molto senso, in una sorta di meccanica quantistica.

Ecco come appare la distribuzione statistica delle frequenze dei fotoni per il caso della miscelazione quantistica tra un impulso di luce classico e il peculiare impulso di semifotone (notare l'asimmetria del picco laterale in questa sorprendente ridistribuzione dell'energia):

In contrasto con il classico wave mixing, lo spettro è quantizzato e consiste rigorosamente di tre picchi. Quello più a sinistra riflette le statistiche dei fotoni nello stato zero-uno:nello stato zero-uno sovrapposto può esistere un solo fotone. Gli altri picchi non sono possibili in linea di principio perché non ci sono stati multifotoni nell'impulso.

Concentrandosi sul fenomeno del mescolamento delle onde, la carta in Revisione fisica A è la prima formulazione teorica delle interazioni impegnate dall'insolito impulso di semifotone non classico. I ricercatori stanno ora eseguendo esperimenti con la sorgente di fotoni e il diffusore di microonde per confermare le loro scoperte teoriche. Oltre a rivelare le complessità del comportamento quantistico della luce, tale ricerca alla fine contribuisce al corpo di conoscenze su cui attingono gli ingegneri dei computer quantistici.