Um russo-britânico. equipe de pesquisa propôs uma descrição teórica para o novo efeito da mistura de ondas quânticas envolvendo estados clássicos e não clássicos de radiação de microondas. Este efeito, que anteriormente carecia de uma descrição matemática rigorosa, poderia ser útil para cientistas da computação quântica e físicos fundamentais que investigam as interações luz-matéria. O estudo é publicado em Revisão Física A .

"Formulamos uma linguagem matemática para lidar com o fenômeno não convencional e intrigante da mistura de ondas de luz clássica - radiação eletromagnética coerente - e formas bastante exóticas de luz não clássica, em particular, luz comprimida e uma superposição de um fóton e zero fótons, que efetivamente contém "a metade de um fóton, "se você quiser. O estudo baseia-se em nosso trabalho anterior, onde primeiro projetamos uma fonte de microondas de fóton único e depois a usamos para criar uma superposição quântica entre um e zero fótons em um pulso, produzindo com efeito um estado de meio fóton, "explica o PI Oleg Astafiev do estudo, de Skoltech, MIPT, a Universidade de Londres, e Laboratório Nacional de Física do Reino Unido. Os resultados foram obtidos com as principais contribuições do primeiro autor, o físico teórico Walter Pogosov do Dukhov Research Institute of Automatics e do RAS Institute for Theoretical and Applied Electrodynamics, e o físico experimental do MIPT Alexey Dmitriev.

O estudo é um acompanhamento teórico dos experimentos anteriores do grupo com átomos artificiais. Esses são dispositivos microscópicos que exibem uma propriedade-chave dos átomos naturais:uma série de níveis de energia quantizados.

As propriedades dos átomos artificiais os tornam úteis em dois contextos. Primeiro, eles podem servir como qubits, os blocos de construção dos computadores quânticos. Embora esse seja um assunto muito quente agora, os físicos também usam átomos artificiais para sondar as leis fundamentais da natureza que governam o que acontece no mundo quântico. O que os torna úteis é a combinação de propriedades quânticas e serem razoavelmente gerenciáveis ​​em um experimento:você pode colocar um átomo artificial em um microcircuito, conecte-o a outros elementos do circuito e ao meio ambiente.

Na óptica quântica, átomos artificiais servem como plataforma para investigar como a matéria interage com a luz. Em seu trabalho anterior, a equipe apresentou uma fonte de microondas de fóton único - um dispositivo que gera pulsos de radiação eletromagnética sob demanda que contêm apenas uma partícula de luz. Ele opera em frequências de microondas, então os fótons não são como as cores visíveis do arco-íris, mas invisíveis, como os do seu forno de micro-ondas, e eles viajam ao longo de tiras de metal em vez de um cabo óptico. Dito isto, as leis da ótica permanecem inalteradas:um fóton permanece um fóton, mesmo na faixa de frequência de microondas, embora com um comprimento de onda muito maior e menor energia.

Os autores do estudo relatados nesta história examinaram teoricamente o efeito conhecido como mistura de ondas. Anteriormente, eles estudaram para o caso da luz clássica:se dois pulsos de luz periódicos em duas frequências próximas, mas diferentes, se propagam juntos, espalhar em um átomo artificial, e a detecção de radiação no nível de um único fóton é realizada muitas vezes em um experimento para registrar a possibilidade de observar um fóton em qualquer frequência, o espectro de probabilidades resultante é parecido com este:

Como era de se esperar, os dois picos altos são as probabilidades de detectar fótons nas frequências dos dois pulsos de luz iniciais. Os picos em outras frequências demonstram o resultado do espalhamento multifotônico e suas alturas quantificam a probabilidade do processo multifotônico correspondente. A energia média não muda realmente dos pulsos iniciais para a distribuição peculiar de fótons resultante de sua mistura, são apenas as frequências que exibem esse curioso efeito.

Como se a mixagem de ondas comuns não fosse estranha o suficiente, a equipe se perguntou o que aconteceria se um dos dois pulsos originais fosse substituído por luz não clássica. Em particular, os pesquisadores consideraram o caso da luz comprimida e algo que pode ser intuitivamente entendido como um "pulso de meio fóton". Isso se refere a um estado exótico de luz gerado pela equipe anteriormente com sua fonte de microondas de fóton único. O estado equivale a uma superposição de um fóton e zero fótons. Um detector ideal identifica uma onda como um fóton em 50% dos casos e nenhum fóton nos restantes 50% das medições, o que faz muito sentido, em uma espécie de mecânica quântica.

Aqui está o que a distribuição estatística de frequências de fótons se parece para o caso de mistura quântica entre um pulso de luz clássico e o pulso de meio-fóton peculiar (observe a assimetria de pico lateral nesta redistribuição de energia impressionante):

Em contraste com a mistura de ondas clássicas, o espectro é quantizado e consiste estritamente em três picos. O mais à esquerda reflete as estatísticas do fóton no estado zero-um:apenas um fóton pode existir no estado zero-um sobreposto. Os outros picos não são possíveis em princípio porque não há estados multifotônicos no pulso.

Focando no fenômeno da mistura de ondas, o papel em Revisão Física A é a primeira formulação teórica das interações envolvidas pelo pulso incomum de meio fóton não clássico. Os pesquisadores agora estão realizando experimentos com a fonte de fótons e o dispersor de microondas para confirmar suas descobertas teóricas. Além de revelar as complexidades do comportamento quântico da luz, Em última análise, essas pesquisas contribuem para o corpo de conhecimento que os engenheiros de computação quântica utilizam.