|
Квантовый энергетический обмен
|
|
|
|
Новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, освещает тонкости обмена энергией внутри двудольных квантовых систем, предлагая глубокое понимание квантовой когерентности, эффектов чистой дефазировки и потенциального влияния на будущие квантовые технологии. В квантовых системах поведение частиц и передача энергии определяются распределениями вероятностей и волновыми функциями, что усложняет понимание обмена энергией. Исследование обмена энергией в квантовых системах по своей сути предполагает решение сложностей, возникающих из-за квантовой декогеренции и масштабов, в которых работают квантовые системы, что приводит к повышению чувствительности. Несмотря на эти проблемы, изучение обмена энергией в квантовых системах жизненно важно для развития квантовых технологий и понимания фундаментальных аспектов квантовой механики.
|
|
|
|
Исследователи стремятся преодолеть разрыв между теоретическими предсказаниями и экспериментальными наблюдениями в области квантовой оптики и термодинамики. Изучая энергетический обмен внутри двучастных квантовых систем, исследование стремится предоставить всеобъемлющую основу для понимания сложной динамики, происходящей в игре. «Имея опыт экспериментальной квантовой оптики во время моей докторской и академической карьеры, я перешел к теории, углубившись в квантовую термодинамику десять лет назад, последовательно работая над преодолением разрывов между этими областями». «Эти результаты представляют собой прекрасную конкретизацию этих усилий», — объяснила профессор Алексия Ауффев, директор по исследованиям CNRS-MajuLab и приглашенный профессор-исследователь CQT Singapore, в беседе с Phys.org. Она также является соавтором исследования.
|
|
|
Ведущий автор профессор Паскаль Сенеллар из Университета Париж-Сакле также поделилась своей мотивацией исследования, сказав: «Последнее десятилетие я посвятила разработке искусственных атомов с использованием полупроводниковых квантовых точек, постоянно совершенствуя их экспериментальный контроль и взаимодействие света. твердотельный эмиттер в этом исследовании обладает значительной силой в решении проблемы влияния декогеренции на энергетический обмен».
|
|
|
|
Унитарная и корреляционная энергия
|
|
|
|
Двудольные системы относятся к квантовым системам, состоящим из двух отдельных объектов или подсистем, часто демонстрирующих запутанность и квантовую суперпозицию. Обмен энергией внутри этих систем, например, изучаемый в исследовании, дает представление о квантовой динамике. По словам профессора Оффева, теоретика, стоящего за исследованием: «Когда две квантовые системы связаны, но в остальном изолированы, они могут обмениваться энергией двумя способами: либо оказывая друг на друга силу, либо запутываясь. Мы называем это энергией меняет местами «унитарность» и «корреляция» соответственно». Это различие подчеркивает двойственную природу энергетических взаимодействий внутри двучастных систем: унитарная энергия включает в себя силы и корреляционную энергию, возникающую в результате запутанности. Понимание динамики внутри этих систем имеет решающее значение для развития квантовой механики и разработки таких приложений, как квантовые вычисления. В частности, двудольные системы являются важными компонентами квантовых вентилей и алгоритмических операций, образуя основу для новых квантовых технологий.
|
|
|
|
Часть 1: Спонтанное испускание кубита
|
|
|
|
В первой части исследования исследователи сосредоточились на спонтанном испускании кубита, представленного квантовой точкой. Квантовые точки — это наноразмерные полупроводники, обладающие квантово-механическими свойствами. Его часто называют искусственным атомом, поскольку он, как и атомы, имеет дискретный энергетический уровень. Квантовая точка была помещена в резервуар пустых электромагнитных мод, то есть не было никаких возмущений или взаимодействий со стороны электромагнитных полей. «Предыдущие теоретические результаты, полученные в моей группе, предсказывают, что количество унитарной энергии, переданной вакуумному полю, должно быть пропорционально начальной квантовой когерентности кубита», — объяснил профессор Оффев. Проще говоря, когда кубит изначально готовится в равной суперпозиции основного и возбужденного состояний, передача унитарной энергии вакуумному полю максимизируется.
|
|
|
|
В таком сценарии переданная унитарная энергия равна половине общей энергии, выделяемой кубитом. Напротив, если кубит изначально инвертирован, полю передается только корреляционная энергия. Эта зависимость от исходного квантового состояния кубита подчеркивает сложную природу передачи энергии в квантовых системах. Результаты первой части оказались именно такими, как ожидали исследователи. Как подчеркнул профессор Оффев: «Эксперименты, представленные в статье, прекрасно оправдывают наши ожидания. В них в качестве кубита используется квантовая точка, соединенная с негерметичным полупроводниковым микрорезонатором». «Унитарная энергия, полученная полем, т. е. энергия, заключенная в когерентной составляющей излучаемого поля, измеряется с помощью гомодинной установки. Уровень экспериментального контроля таков, что унитарная энергия почти достигает теоретической границы, в зависимости от того, какая из них будет начальное состояние квантовой точки». Это означает, что команда сможет точно измерить и понять, как квантовое поле обменивается энергией во время этого процесса.
|
|
|
|
Часть 2. Соединение двух световых полей
|
|
|
|
Во второй части исследователи исследовали обмен энергией между излучаемым световым полем и эталонным когерентным полем. Оба поля были сложно связаны с помощью светоделителя — устройства, обычно используемого в квантовой оптике для управления траекторией световых лучей. В исследовании использовалась квантовая система, напоминающая линейные фотонные квантовые вычисления, включающая интерференцию световых полей через светоделители. «В отличие от первого случая, это исследование было неизведанной территорией. Это вызвало захватывающий диалог между теорией и экспериментом, чтобы распространить наши концепции унитарных и корреляционных энергий на эту новую ситуацию и изучить новое поведение и закономерности», — сказал профессор Оффев. Количественный анализ позволил сделать важный вывод: было показано, что унитарная передача энергии зависит от чистоты и когерентности излучаемого поля. Это означает, что характеристики светового поля, в частности его чистота и когерентность, играют решающую роль в определении характера и величины унитарного энергообмена.
|
|
|
|
«В обоих случаях мы обнаруживаем, что унитарная энергия (соответственно, корреляционная энергия), полученная световым полем, равна изменению энергии когерентного компонента (соответственно, некогерентного компонента) этого поля», — объяснил профессор Оффев. Первый автор доктор Ильза Майлетт де Бай Веннигер, постдокторант Имперского колледжа Лондона, которая ранее работала в CNRS с профессором Сенеллартом, подчеркнула проблемы, с которыми сталкиваются экспериментально, говоря: «Изолирование квантового эмиттера для максимальной когерентности и эффективный сбор испускаемого квантового света для гомодинного измерения были жизненно важны. Это первый раз, когда суперпозиция нулевого и одного фотонного состояний вводится в классическое световое поле — важный шаг для развития протоколов квантовой связи».
|
|
|
|
Квантовые приложения и не только
|
|
|
|
«Структура, которую мы начали создавать в рамках этой статьи, может сыграть ключевую роль в будущем энергетическом анализе фотонных квантовых вычислений», — сказал профессор Оффев. Понимание обмена энергией и энтропией имеет решающее значение для улучшения таких процессов, как генерация запутанности и квантовые ворота. Управление чистой дефазировкой при более высоких температурах, как показало исследование, становится жизненно важным для эффективного унитарного обмена энергией, который необходим для реализации квантовых вентилей. Говоря о будущих исследованиях, профессор Оффев хочет сосредоточиться на фундаментальной стороне вещей, исследуя квантовую оптику с помощью энергетических и энтропийных инструментов. «Например, путем извлечения оптических признаков необратимости или, наоборот, обнаружения квантовости поля с энергетическими показателями качества. С практической стороны будет важно оценить, влияют ли и как концепции унитарной и корреляционной энергии на энергию стоимость макроскопических, полнофункциональных квантовых технологий», — заключила она.
|
|
|
|
Источник
|
