Un nuevo estudio en Physical Review Letters ilumina las complejidades de los intercambios de energía dentro de los sistemas cuánticos bipartitos, ofreciendo conocimientos profundos sobre la coherencia cuántica, los efectos puros de desfase y el impacto potencial en futuras tecnologías cuánticas.
En los sistemas cuánticos, el comportamiento de las partículas y la transferencia de energía se rigen por distribuciones de probabilidad y funciones de onda, lo que añade capas de complejidad a la comprensión de los intercambios de energía.
La exploración de los intercambios de energía en los sistemas cuánticos implica inherentemente abordar las complejidades que surgen de la decoherencia cuántica y las escalas en las que operan los sistemas cuánticos, introduciendo la sensibilidad.
A pesar de estos desafíos, estudiar los intercambios de energía en sistemas cuánticos es vital para avanzar en las tecnologías cuánticas y comprender los aspectos fundamentales de la mecánica cuántica.
Los investigadores pretenden cerrar la brecha entre las predicciones teóricas y las observaciones experimentales en óptica cuántica y termodinámica. Al explorar los intercambios de energía dentro de sistemas cuánticos bipartitos, el estudio se esfuerza por proporcionar un marco integral para comprender la intrincada dinámica en juego.
"Con experiencia en óptica cuántica experimental durante mi doctorado y mi trayectoria académica, hice la transición a la teoría, profundizando en la termodinámica cuántica hace una década, trabajando constantemente para cerrar las brechas entre estos campos".
"Estos resultados representan una hermosa concreción de estos esfuerzos", explicó la profesora Alexia Auffèves, directora de investigación del CNRS-MajuLab y profesora de investigación visitante del CQT Singapur, en declaraciones a Phys.org. También es coautora del estudio.
La autora principal, la profesora Pascale Senellart de la Universidad Paris-Saclay, también compartió su motivación detrás de la investigación y dijo:"He dedicado la última década a desarrollar átomos artificiales utilizando puntos cuánticos semiconductores, refinando continuamente su control experimental y acoplamiento de luz. La utilización de En esta investigación, un emisor de estado sólido tiene un poder significativo para abordar el impacto de la decoherencia en los intercambios energéticos".
Los sistemas bipartitos se refieren a sistemas cuánticos compuestos por dos entidades o subsistemas separados, que a menudo exhiben entrelazamiento y superposición cuántica. Los intercambios de energía dentro de estos sistemas, como los estudiados en la investigación, proporcionan información sobre la dinámica cuántica.
En palabras del Prof. Auffèves, el teórico detrás del estudio, "Cuando dos sistemas cuánticos están acoplados pero aislados, pueden intercambiar energía de dos maneras:ya sea ejerciendo una fuerza entre sí o enredándose. A esta energía la llamamos intercambia 'unitario' y 'correlación', respectivamente."
Esta distinción resalta la naturaleza dual de las interacciones energéticas dentro de los sistemas bipartitos, con energía unitaria que involucra fuerzas y energía de correlación que surge del entrelazamiento.
Comprender la dinámica dentro de estos sistemas es crucial para avanzar en la mecánica cuántica y desarrollar aplicaciones como la computación cuántica. En particular, los sistemas bipartitos son componentes esenciales en las puertas cuánticas y las operaciones algorítmicas, y forman la base de las tecnologías cuánticas emergentes.
En la primera parte del estudio, los investigadores se centraron en la emisión espontánea de un qubit, representado por un punto cuántico. Los puntos cuánticos son semiconductores a nanoescala que exhiben propiedades mecánicas cuánticas.
A menudo se le llama átomo artificial porque, al igual que los átomos, tiene un nivel de energía discreto. El punto cuántico se colocó en un depósito de modos electromagnéticos vacíos, lo que significa que no hubo perturbaciones ni interacciones de campos electromagnéticos.
"Los resultados teóricos anteriores obtenidos en mi grupo predicen que la cantidad de energía unitaria transferida al campo de vacío debería ser proporcional a la coherencia cuántica inicial del qubit", explicó el profesor Auffèves.
En términos simples, cuando el qubit se prepara inicialmente en una superposición igual de estados fundamental y excitado, se maximiza la transferencia de energía unitaria al campo de vacío.
En tal escenario, la energía unitaria transferida equivale a la mitad de la energía total liberada por el qubit. Por el contrario, si el qubit se invierte inicialmente, sólo se transfiere al campo la energía de correlación. Esta dependencia del estado cuántico inicial del qubit resalta la naturaleza intrincada de las transferencias de energía en los sistemas cuánticos.
Los resultados de la primera parte fueron precisamente los que esperaban los investigadores. Como destacó el profesor Auffèves:"Los experimentos presentados en el artículo cumplen maravillosamente nuestras expectativas. Se trata de un qubit, un punto cuántico acoplado a una microcavidad semiconductora con fugas".
"La energía unitaria recibida por el campo, es decir, la energía encerrada en el componente coherente del campo emitido, se mide usando una configuración homodina. El nivel de control experimental es tal que la energía unitaria casi alcanza el límite teórico, cualquiera que sea el Estado inicial del punto cuántico."
Esto significa que el equipo pudo medir y comprender con precisión cómo el campo cuántico intercambia energía durante este proceso.
En la segunda parte, los investigadores examinaron los intercambios de energía entre el campo luminoso emitido y un campo coherente de referencia. Ambos campos se acoplaron intrincadamente mediante un divisor de haz, un dispositivo comúnmente utilizado en óptica cuántica para manipular las trayectorias de los rayos de luz.
El estudio involucró un sistema cuántico que recuerda a la computación cuántica fotónica lineal, incorporando interferencias de campos de luz a través de divisores de haz.
"A diferencia del primer caso, este estudio era un territorio inexplorado. Esto desencadenó un interesante diálogo entre la teoría y el experimento para extender nuestros conceptos de energías unitarias y de correlación a esta nueva situación y estudiar nuevos comportamientos y patrones", dijo el profesor Auffèves.
El análisis cuantitativo reveló un hallazgo significativo:se demostró que las transferencias unitarias de energía dependen de la pureza y coherencia del campo emitido. Esto implica que las características del campo luminoso, específicamente su pureza y coherencia, juegan un papel crucial en la determinación de la naturaleza y magnitud de los intercambios de energía unitarios.
"En ambos casos, encontramos que la energía unitaria (o energía de correlación) recibida por un campo luminoso es igual al cambio de energía del componente coherente (o incoherente) de este campo", explicó el profesor Auffèves.
La primera autora, la Dra. Ilse Maillette de Buy Wenniger, investigadora postdoctoral en el Imperial College de Londres, que anteriormente trabajó en el CNRS con el Prof. Senellart, destacó los desafíos que se enfrentan experimentalmente y dijo:"Aislar el emisor cuántico para una máxima coherencia y recolectar eficientemente la luz cuántica emitida para homodina". Las mediciones fueron vitales. Esta es la primera vez que se introduce una superposición de estados de fotón cero y uno en un campo de luz clásico, un paso esencial para avanzar en los protocolos de comunicación cuántica".
"El marco que hemos empezado a construir en este artículo podría desempeñar un papel clave en futuros análisis energéticos de la computación cuántica fotónica", afirmó el profesor Auffèves.
Comprender los intercambios de energía y entropía es crucial para mejorar procesos como la generación de entrelazamientos y las puertas cuánticas. Gestionar el desfase puro a temperaturas más altas, como se revela en el estudio, se vuelve vital para el intercambio eficiente de energía unitaria, que es necesario para implementar puertas cuánticas.
Hablando de investigaciones futuras, el Prof. Auffèves quiere centrarse en el lado fundamental de las cosas explorando la óptica cuántica con herramientas energéticas y entrópicas.
"Por ejemplo, extrayendo firmas ópticas de irreversibilidad, o recíprocamente, detectando la cuántica de un campo con cifras energéticas de mérito. En el aspecto práctico, será importante evaluar si los conceptos de energía unitaria y de correlación impactan la energía y cómo lo hacen. costo de las tecnologías cuánticas macroscópicas y de pila completa", concluyó.
Más información: I. Maillette de Buy Wenniger et al, Análisis experimental de transferencias de energía entre un emisor cuántico y campos luminosos, Cartas de revisión física (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.260401.
Información de la revista: Cartas de revisión física
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