Un ruso-U.K. El equipo de investigación ha propuesto una descripción teórica para el nuevo efecto de la mezcla de ondas cuánticas que involucra estados clásicos y no clásicos de radiación de microondas. Este efecto, que anteriormente carecía de una descripción matemática rigurosa, podría ser útil para los científicos de la computación cuántica y los físicos fundamentales que investigan las interacciones entre la luz y la materia. El estudio se publica en Revisión física A .

"Hemos formulado un lenguaje matemático para manejar el fenómeno poco convencional e intrigante de la mezcla de ondas de luz clásica (radiación electromagnética coherente) y formas bastante exóticas de luz no clásica, en particular, luz exprimida y una superposición de un fotón y cero fotones, que contiene efectivamente "la mitad de un fotón, "si lo desea. El estudio se basa en nuestro trabajo anterior, donde primero diseñamos una fuente de microondas de fotón único y luego la usamos para crear una superposición cuántica entre uno y cero fotones en un pulso, produciendo en efecto un estado de medio fotón, "explica el investigador principal del estudio, Oleg Astafiev, de Skoltech, MIPT, la Universidad de Londres, y el Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido. Los resultados se han obtenido con las principales contribuciones del primer autor, el físico teórico Walter Pogosov del Instituto de Investigación de Automática Dukhov y el Instituto RAS de Electrodinámica Teórica y Aplicada, y el físico experimental del MIPT Alexey Dmitriev.

El estudio es un seguimiento teórico de los experimentos anteriores del grupo sobre átomos artificiales. Estos son dispositivos microscópicos que exhiben una propiedad clave de los átomos naturales:una serie de niveles de energía cuantificados.

Las propiedades de los átomos artificiales los hacen útiles en dos contextos. Primero, pueden servir como qubits, los componentes básicos de las computadoras cuánticas. Si bien ese es un tema bastante candente ahora, Los físicos también utilizan átomos artificiales para investigar las leyes fundamentales de la naturaleza que gobiernan lo que sucede en el mundo cuántico. Lo que los hace útiles es la combinación de propiedades cuánticas y ser bastante manejables en un experimento:puedes poner un átomo artificial en un microcircuito, conéctelo a otros elementos del circuito y al medio ambiente.

En óptica cuántica, Los átomos artificiales sirven como plataforma para investigar cómo interactúa la materia con la luz. En su trabajo anterior, el equipo introdujo una fuente de microondas de fotón único, un dispositivo que genera pulsos de radiación electromagnética a demanda que contienen solo una partícula de luz. Opera a frecuencias de microondas, por lo que los fotones no son como los colores visibles del arco iris, sino invisibles, como las de tu horno microondas, y viajan a lo largo de tiras de metal en lugar de un cable óptico. Dicho eso las leyes de la óptica permanecen sin cambios:un fotón sigue siendo un fotón, incluso en el rango de frecuencia de microondas, aunque con una longitud de onda mucho más larga y una energía más pequeña.

Los autores del estudio informados en esta historia examinaron teóricamente el efecto conocido como mezcla de ondas. Previamente, lo estudiaron para el caso de la luz clásica:si dos pulsos de luz periódicos a dos frecuencias cercanas pero diferentes se propagan juntos, esparcir en un átomo artificial, y la detección de radiación en el nivel de un solo fotón se realiza muchas veces en un experimento para registrar la posibilidad de observar un fotón en cualquier frecuencia dada, el espectro de probabilidades resultante se parece a esto:

Como se esperaría, los dos picos altos son las probabilidades de detectar fotones en las frecuencias de los dos pulsos de luz iniciales. Los picos en otras frecuencias demuestran el resultado de la dispersión multifotónica y sus alturas cuantifican la probabilidad del correspondiente proceso multifotónico. La energía promedio no cambia realmente de los pulsos iniciales a la distribución peculiar de fotones resultante de su mezcla, son sólo las frecuencias las que exhiben este curioso efecto.

Como si la mezcla de ondas ordinaria no fuera lo suficientemente extraña, el equipo se preguntó qué pasaría si uno de los dos pulsos originales fuera reemplazado por luz no clásica. En particular, los investigadores consideraron el caso de la luz comprimida y algo que podría entenderse intuitivamente como un "pulso de medio fotón". Esto se refiere a un estado exótico de luz generado por el equipo anteriormente con su fuente de microondas de fotón único. El estado equivale a una superposición de un fotón y cero fotones. Un detector ideal detecta una onda como un fotón en el 50% de los casos y ningún fotón en el 50% restante de las mediciones. lo que tiene mucho sentido, en una especie de mecánica cuántica.

Así es como se ve la distribución estadística de las frecuencias de los fotones para el caso de la mezcla cuántica entre un pulso de luz clásico y el pulso peculiar de medio fotón (observe la asimetría de pico lateral en esta sorprendente redistribución de energía):

En contraste con la mezcla de ondas clásica, el espectro está cuantificado y consta estrictamente de tres picos. El de la izquierda refleja las estadísticas de fotones en el estado cero-uno:solo puede existir un fotón en el estado de fotones cero-uno superpuesto. Los otros picos no son posibles en principio porque no hay estados multifotónicos en el pulso.

Centrándonos en el fenómeno de la mezcla de ondas, el papel en Revisión física A es la primera formulación teórica de las interacciones involucradas por el inusual pulso de medio fotón no clásico. Los investigadores ahora están realizando experimentos con la fuente de fotones y el dispersor de microondas para confirmar sus hallazgos teóricos. Además de revelar las complejidades del comportamiento cuántico de la luz, En última instancia, dicha investigación contribuye al cuerpo de conocimientos del que se basan los ingenieros informáticos cuánticos.