Crédit :Pavel Odinev/Skoltech
Un russo-britannique L'équipe de recherche a proposé une description théorique du nouvel effet du mélange d'ondes quantiques impliquant des états classiques et non classiques de rayonnement micro-ondes. Cet effet, qui manquait auparavant d'une description mathématique rigoureuse, pourrait être utile aux informaticiens quantiques et aux physiciens fondamentaux qui sondent les interactions lumière-matière. L'étude est publiée dans Examen physique A .
"Nous avons formulé un langage mathématique pour gérer le phénomène non conventionnel et intrigant de mélange d'ondes de lumière classique - rayonnement électromagnétique cohérent - et de formes plutôt exotiques de lumière non classique, en particulier, lumière comprimée et superposition d'un photon et de zéro photon, qui contient effectivement « la moitié d'un photon, " si vous voulez. L'étude s'appuie sur nos travaux antérieurs, où nous avons d'abord conçu une source micro-ondes à photon unique, puis l'avons utilisée pour créer une superposition quantique entre un et zéro photons dans une impulsion, produisant en effet un état de demi-photon, " explique le PI de l'étude Oleg Astafiev, de Skoltech, MIPT, l'Université de Londres, et le Laboratoire national de physique du Royaume-Uni. Les résultats ont été obtenus grâce aux contributions majeures du premier auteur, le physicien théoricien Walter Pogosov du Dukhov Research Institute of Automatics et du RAS Institute for Theoretical and Applied Electrodynamics, et le physicien expérimental du MIPT Alexey Dmitriev.
L'étude est un suivi théorique des expériences antérieures du groupe sur les atomes artificiels. Ce sont des dispositifs microscopiques qui présentent une propriété clé des atomes naturels :une série de niveaux d'énergie quantifiés.
Les propriétés des atomes artificiels les rendent utiles dans deux contextes. D'abord, ils peuvent servir de qubits, les éléments constitutifs des ordinateurs quantiques. Bien que ce soit un sujet assez brûlant maintenant, les physiciens utilisent également des atomes artificiels pour sonder les lois fondamentales de la nature qui régissent ce qui se passe dans le monde quantique. Ce qui les rend utiles, c'est la combinaison de propriétés quantiques et d'être assez gérables dans une expérience :vous pouvez mettre un atome artificiel sur un microcircuit, connectez-le à d'autres éléments du circuit et à l'environnement.
Schéma de l'expérience. Crédit :Oleg Astafiev/Skoltech
En optique quantique, les atomes artificiels servent de plate-forme pour étudier comment la matière interagit avec la lumière. Dans leurs travaux antérieurs, l'équipe a introduit une source micro-ondes à photon unique, un appareil qui génère des impulsions de rayonnement électromagnétique à la demande qui ne contiennent qu'une seule particule lumineuse. Il fonctionne à des fréquences micro-ondes, donc les photons ne sont pas comme les couleurs visibles dans l'arc-en-ciel mais invisibles, comme ceux de votre four à micro-ondes, et ils voyagent le long de bandes métalliques au lieu d'un câble optique. Cela dit, les lois de l'optique restent inchangées :Un photon reste un photon, même dans la gamme de fréquences micro-ondes, mais avec une longueur d'onde beaucoup plus longue et une énergie plus petite.
Les auteurs de l'étude rapportée dans cette histoire ont examiné théoriquement l'effet connu sous le nom de mélange des vagues. Précédemment, ils l'ont étudié pour le cas de la lumière classique :si deux impulsions lumineuses périodiques à deux fréquences proches mais différentes se propagent ensemble, se disperser sur un atome artificiel, et la détection de rayonnement au niveau d'un photon est effectuée plusieurs fois dans une expérience pour enregistrer la possibilité d'observer un photon à n'importe quelle fréquence donnée, le spectre de probabilités qui en résulte ressemble à ceci :
Schéma de l'expérience. Crédit :Oleg Astafiev/Skoltech
Comme on pouvait s'y attendre, les deux pics hauts sont les probabilités de détecter des photons aux fréquences des deux impulsions lumineuses initiales. Les pics à d'autres fréquences démontrent le résultat de la diffusion multiphotonique et leurs hauteurs quantifient la probabilité d'un processus multiphotonique correspondant. L'énergie moyenne ne change pas vraiment des impulsions initiales à la distribution particulière des photons résultant de leur mélange, ce sont seulement les fréquences qui présentent ce curieux effet.
Comme si le mélange d'ondes ordinaire n'était pas assez étrange, l'équipe s'est demandé ce qui se passerait si l'une des deux impulsions d'origine était remplacée par une lumière non classique. En particulier, les chercheurs ont considéré le cas de la lumière comprimée et quelque chose qui pourrait être intuitivement saisi comme une "impulsion d'un demi-photon". Cela fait référence à un état de lumière exotique généré par l'équipe plus tôt avec leur source micro-ondes à photon unique. L'état équivaut à une superposition d'un photon et de zéro photon. Un détecteur idéal repère une onde telle qu'un photon dans 50% des cas et aucun photon dans les 50% restants des mesures, ce qui a beaucoup de sens, à la manière de la mécanique quantique.
Voici à quoi ressemble la distribution statistique des fréquences photoniques dans le cas du mélange quantique entre une impulsion lumineuse classique et l'impulsion particulière d'un demi-photon (notez l'asymétrie de pic latéral dans cette redistribution d'énergie frappante) :
Composantes spectrales pour le cas de l'irradiation qubit par deux ondes cohérentes, c'est à dire., lumière classique uniquement. L'axe horizontal correspond à la fréquence du rayonnement électromagnétique, et l'axe vertical est une mesure d'amplitude à échelle logarithmique, qui pourrait être intuitivement conçu comme la probabilité d'observer un photon micro-onde à cette fréquence particulière. Crédit : Walter Pogosov et al./ Examen physique A
Contrairement au mélange d'ondes classique, le spectre est quantifié et se compose strictement de trois pics. Le plus à gauche reflète les statistiques de photons dans l'état zéro-un :un seul photon peut exister dans l'état superposé zéro-un photon. Les autres pics ne sont en principe pas possibles car il n'y a pas d'états multiphotoniques dans l'impulsion.
En se concentrant sur le phénomène de mélange d'ondes, le papier dans Examen physique A est la première formulation théorique des interactions engagées par l'impulsion inhabituelle non classique d'un demi-photon. Les chercheurs effectuent actuellement des expériences avec la source de photons et le diffuseur de micro-ondes pour confirmer leurs découvertes théoriques. En plus de révéler les subtilités du comportement quantique de la lumière, une telle recherche contribue finalement à l'ensemble des connaissances sur lesquelles s'appuient les ingénieurs en informatique quantique.
