Un nuovo studio in Physical Review Letters illumina le complessità degli scambi di energia all'interno dei sistemi quantistici bipartiti, offrendo approfondimenti sulla coerenza quantistica, sugli effetti di sfasamento puro e sul potenziale impatto sulle future tecnologie quantistiche.
Nei sistemi quantistici, il comportamento delle particelle e il trasferimento di energia sono governati da distribuzioni di probabilità e funzioni d'onda, aggiungendo livelli di complessità alla comprensione degli scambi di energia.
L'esplorazione degli scambi di energia nei sistemi quantistici implica intrinsecamente l'affrontare le complessità derivanti dalla decoerenza quantistica e le scale su cui operano i sistemi quantistici, introducendo la sensibilità.
Nonostante queste sfide, lo studio degli scambi di energia nei sistemi quantistici è vitale per far progredire le tecnologie quantistiche e comprendere gli aspetti fondamentali della meccanica quantistica.
I ricercatori mirano a colmare il divario tra previsioni teoriche e osservazioni sperimentali in ottica quantistica e termodinamica. Esplorando gli scambi di energia all'interno dei sistemi quantistici bipartiti, lo studio si sforza di fornire un quadro completo per comprendere le complesse dinamiche in gioco.
"Avendo un background in ottica quantistica sperimentale durante il mio dottorato di ricerca e il percorso accademico, dieci anni fa sono passato alla teoria, approfondendo la termodinamica quantistica, lavorando costantemente per colmare le lacune tra questi campi."
"Questi risultati rappresentano una bella concretizzazione di questi sforzi", ha spiegato la prof.ssa Alexia Auffèves, direttrice della ricerca presso il CNRS-MajuLab e professoressa di ricerca in visita al CQT Singapore, parlando a Phys.org. È anche coautrice dello studio.
Anche l'autrice principale, la Prof.ssa Pascale Senellart dell'Université Paris-Saclay, ha condiviso le sue motivazioni dietro la ricerca, affermando:"Ho dedicato l'ultimo decennio allo sviluppo di atomi artificiali utilizzando punti quantici semiconduttori, perfezionando continuamente il loro controllo sperimentale e l'accoppiamento della luce. L'utilizzo di un emettitore a stato solido in questa ricerca ha un potere significativo nell'affrontare l'impatto della decoerenza sugli scambi energetici."
I sistemi bipartiti si riferiscono a sistemi quantistici composti da due entità o sottosistemi separati, che spesso mostrano entanglement e sovrapposizione quantistica. Gli scambi di energia all'interno di questi sistemi, come quelli studiati nella ricerca, forniscono approfondimenti sulla dinamica quantistica.
Nelle parole del Prof. Auffèves, il teorico dello studio, "Quando due sistemi quantistici sono accoppiati ma altrimenti isolati, possono scambiarsi energia in due modi:esercitando una forza l'uno sull'altro o rimanendo impigliati. Chiamiamo questa energia scambia rispettivamente 'unitario' e 'correlazione'."
Questa distinzione evidenzia la duplice natura delle interazioni energetiche all'interno dei sistemi bipartiti, con l'energia unitaria che coinvolge le forze e l'energia di correlazione derivante dall'entanglement.
Comprendere le dinamiche all’interno di questi sistemi è fondamentale per far avanzare la meccanica quantistica e sviluppare applicazioni come l’informatica quantistica. In particolare, i sistemi bipartiti sono componenti essenziali nelle porte quantistiche e nelle operazioni algoritmiche, costituendo la base per le tecnologie quantistiche emergenti.
Nella prima parte dello studio i ricercatori si sono concentrati sull’emissione spontanea di un qubit, rappresentato da un punto quantico. I punti quantici sono semiconduttori su scala nanometrica che esibiscono proprietà quantomeccaniche.
Viene spesso definito atomo artificiale perché, come gli atomi, ha un livello energetico discreto. Il punto quantico è stato posizionato in un serbatoio di modi elettromagnetici vuoti, il che significa che non c'erano disturbi o interazioni da campi elettromagnetici.
"Precedenti risultati teorici ottenuti nel mio gruppo prevedono che la quantità di energia unitaria trasferita al campo del vuoto dovrebbe essere proporzionale alla coerenza quantistica iniziale del qubit," ha spiegato il Prof. Auffèves.
In termini semplici, quando il qubit viene inizialmente preparato in un'eguale sovrapposizione di stati fondamentale ed eccitato, il trasferimento di energia unitaria al campo del vuoto è massimizzato.
In tale scenario, l’energia unitaria trasferita equivale alla metà dell’energia totale rilasciata dal qubit. Al contrario, se il qubit viene inizialmente invertito, solo l’energia di correlazione viene trasferita nel campo. Questa dipendenza dallo stato quantico iniziale del qubit evidenzia la natura complessa dei trasferimenti di energia nei sistemi quantistici.
I risultati della prima parte erano esattamente ciò che i ricercatori si aspettavano. Come ha sottolineato il Prof. Auffèves, "Gli esperimenti riportati nell'articolo soddisfano magnificamente le nostre aspettative. Coinvolgono come qubit un punto quantico accoppiato a una microcavità semiconduttrice che perde."
"L'energia unitaria ricevuta dal campo, cioè l'energia racchiusa nella componente coerente del campo emesso, viene misurata utilizzando un setup omodina. Il livello di controllo sperimentale è tale che l'energia unitaria raggiunge quasi il limite teorico, qualunque sia il valore stato iniziale del punto quantico."
Ciò significa che il team ha potuto misurare e comprendere accuratamente come il campo quantistico scambia energia durante questo processo.
Nella seconda parte i ricercatori hanno esaminato gli scambi energetici tra il campo luminoso emesso e un campo coerente di riferimento. Entrambi i campi sono stati accoppiati in modo complesso utilizzando un divisore di fascio, un dispositivo comunemente utilizzato nell'ottica quantistica per manipolare i percorsi dei raggi luminosi.
Lo studio ha coinvolto un sistema quantistico che ricorda il calcolo quantistico fotonico lineare, incorporando interferenze di campi luminosi attraverso divisori di fascio.
"A differenza del primo caso, questo studio era un territorio inesplorato. Ciò ha innescato un dialogo entusiasmante tra teoria ed esperimento per estendere i nostri concetti di energie unitarie e di correlazione a questa nuova situazione e studiare nuovi comportamenti e modelli", ha affermato il Prof. Auffèves.
L'analisi quantitativa ha rivelato un risultato significativo:è stato dimostrato che i trasferimenti unitari di energia dipendono dalla purezza e dalla coerenza del campo emesso. Ciò implica che le caratteristiche del campo luminoso, in particolare la sua purezza e coerenza, svolgono un ruolo cruciale nel determinare la natura e l'entità degli scambi energetici unitari.
"In entrambi i casi, troviamo che l'energia unitaria (rispettivamente energia di correlazione) ricevuta da un campo luminoso è uguale alla variazione di energia della componente coerente (rispettivamente componente incoerente) di questo campo", ha spiegato il Prof. Auffèves.
La prima autrice, la Dott.ssa Ilse Maillette de Buy Wenniger, ricercatrice post-dottorato presso l'Imperial College di Londra che in precedenza ha lavorato al CNRS con il Prof. Senellart, ha evidenziato le sfide affrontate sperimentalmente, affermando:"Isolare l'emettitore quantistico per la massima coerenza e raccogliere in modo efficiente la luce quantistica emessa per omodina le misurazioni erano vitali. Questo segna la prima volta che una sovrapposizione di stati di zero e uno fotone viene introdotta in un campo di luce classico:un passo essenziale per far avanzare i protocolli di comunicazione quantistica."
"Il quadro che abbiamo iniziato a costruire all'interno di questo articolo potrebbe svolgere un ruolo chiave nelle future analisi energetiche del calcolo quantistico fotonico", ha affermato il prof. Auffèves.
Comprendere gli scambi di energia ed entropia è fondamentale per migliorare processi come la generazione dell’entanglement e le porte quantistiche. La gestione della pura sfasatura a temperature più elevate, come rivelato nello studio, diventa vitale per un efficiente scambio energetico unitario, necessario per implementare le porte quantistiche.
Parlando della ricerca futura, il Prof. Auffèves vuole concentrarsi sul lato fondamentale delle cose esplorando l'ottica quantistica con strumenti energetici ed entropici.
"Ad esempio, estraendo firme ottiche di irreversibilità, o, reciprocamente, rilevando la quanticità di un campo con figure di merito energetico. Sul lato pratico, sarà importante valutare se e come i concetti di energia unitaria e di correlazione incidono sull'energia costo delle tecnologie quantistiche macroscopiche e full-stack", ha concluso.
Ulteriori informazioni: I. Maillette de Buy Wenniger et al, Analisi sperimentale dei trasferimenti di energia tra un emettitore quantistico e campi di luce, Lettere di revisione fisica (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.260401.
Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica
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