Um novo estudo em Cartas de Revisão Física ilumina os meandros das trocas de energia dentro de sistemas quânticos bipartidos, oferecendo insights profundos sobre a coerência quântica, os efeitos puros de defasagem e o impacto potencial nas futuras tecnologias quânticas.



Nos sistemas quânticos, o comportamento das partículas e a transferência de energia são governados por distribuições de probabilidade e funções de onda, acrescentando camadas de complexidade à compreensão das trocas de energia.

A exploração das trocas de energia em sistemas quânticos envolve inerentemente enfrentar as complexidades decorrentes da decoerência quântica e das escalas em que os sistemas quânticos operam, introduzindo a sensibilidade.

Apesar desses desafios, estudar as trocas de energia em sistemas quânticos é vital para o avanço das tecnologias quânticas e para a compreensão dos aspectos fundamentais da mecânica quântica.

Os pesquisadores pretendem preencher a lacuna entre as previsões teóricas e as observações experimentais em óptica quântica e termodinâmica. Ao explorar as trocas de energia dentro de sistemas quânticos bipartidos, o estudo se esforça para fornecer uma estrutura abrangente para a compreensão da intrincada dinâmica em jogo.

"Tendo formação em óptica quântica experimental durante meu doutorado e minha jornada acadêmica, fiz a transição para a teoria, investigando a termodinâmica quântica há uma década, trabalhando consistentemente para preencher lacunas entre esses campos."

“Esses resultados representam uma bela concretização desses esforços”, explicou a Prof. Alexia Auffèves, diretora de pesquisa do CNRS-MajuLab e professora visitante de pesquisa do CQT Cingapura, em declarações ao Phys.org. Ela também é coautora do estudo.

A autora principal, Prof. Pascale Senellart, da Université Paris-Saclay, também compartilhou sua motivação por trás da pesquisa, dizendo:"Dediquei a última década ao desenvolvimento de átomos artificiais usando pontos quânticos semicondutores, refinando continuamente seu controle experimental e acoplamento de luz. A utilização de um emissor de estado sólido nesta pesquisa tem um poder significativo na abordagem do impacto da decoerência nas trocas energéticas."

Energia unitária e de correlação

Os sistemas bipartidos referem-se a sistemas quânticos compostos por duas entidades ou subsistemas separados, frequentemente exibindo emaranhamento e superposição quântica. As trocas de energia dentro desses sistemas, como os estudados na pesquisa, fornecem insights sobre a dinâmica quântica.

Nas palavras do Prof. Auffèves, o teórico por trás do estudo, “Quando dois sistemas quânticos estão acoplados, mas isolados, eles podem trocar energia de duas maneiras:exercendo uma força um sobre o outro ou ficando emaranhados. troca 'unitário' e 'correlação', respectivamente."

Esta distinção destaca a natureza dual das interações energéticas dentro de sistemas bipartidos, com energia unitária envolvendo forças e energia de correlação resultante do emaranhamento.

Compreender a dinâmica dentro desses sistemas é crucial para o avanço da mecânica quântica e o desenvolvimento de aplicações como a computação quântica. Em particular, os sistemas bipartidos são componentes essenciais em portas quânticas e operações algorítmicas, formando a base para tecnologias quânticas emergentes.

Parte 1:Emissão espontânea de um qubit

Na primeira parte do estudo, os pesquisadores focaram na emissão espontânea de um qubit, representado por um ponto quântico. Os pontos quânticos são semicondutores em nanoescala que exibem propriedades mecânicas quânticas.

É frequentemente referido como um átomo artificial porque, como os átomos, possui um nível de energia discreto. O ponto quântico foi colocado em um reservatório de modos eletromagnéticos vazios, o que significa que não houve perturbações ou interações de campos eletromagnéticos.

“Resultados teóricos anteriores obtidos em meu grupo preveem que a quantidade de energia unitária transferida para o campo de vácuo deve ser proporcional à coerência quântica inicial do qubit”, explicou o Prof.

Em termos simples, quando o qubit é inicialmente preparado em uma superposição igual de estados fundamental e excitado, a transferência de energia unitária para o campo de vácuo é maximizada.

Nesse cenário, a energia unitária transferida é igual a metade da energia total liberada pelo qubit. Pelo contrário, se o qubit for inicialmente invertido, apenas a energia de correlação será transferida para o campo. Esta dependência do estado quântico inicial do qubit destaca a natureza complexa das transferências de energia em sistemas quânticos.

Os resultados da primeira parte foram exatamente o que os pesquisadores esperavam. Como destacou o professor Auffèves, "Os experimentos relatados no artigo atendem perfeitamente às nossas expectativas. Eles envolvem como um qubit um ponto quântico acoplado a uma microcavidade semicondutora com vazamento."

"A energia unitária recebida pelo campo, ou seja, a energia bloqueada na componente coerente do campo emitido, é medida usando uma configuração homódina. O nível de controle experimental é tal que a energia unitária quase atinge o limite teórico, qualquer que seja o estado inicial do ponto quântico."

Isso significa que a equipe poderia medir e compreender com precisão como o campo quântico troca energia durante esse processo.

Parte 2:Acoplamento de dois campos de luz

Para a segunda parte, os pesquisadores examinaram as trocas de energia entre o campo de luz emitido e um campo coerente de referência. Ambos os campos foram intrinsecamente acoplados usando um divisor de feixe, um dispositivo comumente usado em óptica quântica para manipular os caminhos dos feixes de luz.

O estudo envolveu um sistema quântico que lembra a computação quântica fotônica linear, incorporando interferências de campos de luz por meio de divisores de feixe.

"Ao contrário do primeiro caso, este estudo era um território desconhecido. Isto desencadeou um diálogo emocionante entre a teoria e a experiência para estender os nossos conceitos de energias unitárias e de correlação a esta nova situação e estudar novos comportamentos e padrões", disse o Prof.

A análise quantitativa revelou uma descoberta significativa:as transferências unitárias de energia mostraram-se dependentes da pureza e coerência do campo emitido. Isto implica que as características do campo de luz, especificamente a sua pureza e coerência, desempenham um papel crucial na determinação da natureza e magnitude das trocas energéticas unitárias.

“Em ambos os casos, descobrimos que a energia unitária (respectivamente, energia de correlação) recebida por um campo de luz é igual à mudança de energia do componente coerente (respectivamente, componente incoerente) deste campo”, explicou o Prof.

A primeira autora, Dra. Ilse Maillette de Buy Wenniger, pesquisadora de pós-doutorado no Imperial College London que anteriormente trabalhou no CNRS com o Prof. medições foram vitais. Isso marca a primeira vez que uma superposição de estados de zero e um fóton é introduzida em um campo de luz clássico - um passo essencial para o avanço dos protocolos de comunicação quântica."

Aplicações quânticas e muito mais

“A estrutura que começamos a construir neste artigo pode desempenhar um papel fundamental nas futuras análises energéticas da computação quântica fotônica”, disse o Prof.

Compreender as trocas de energia e entropia é crucial para melhorar processos como geração de emaranhamento e portas quânticas. Gerenciar a defasagem pura em temperaturas mais altas, conforme revelado no estudo, torna-se vital para uma troca eficiente de energia unitária, necessária para implementar portas quânticas.

Falando em pesquisas futuras, o Prof. Auffèves quer focar no lado fundamental das coisas, explorando a óptica quântica com ferramentas energéticas e entrópicas.

“Por exemplo, extraindo assinaturas ópticas de irreversibilidade, ou reciprocamente, detectando a quantumidade de um campo com figuras energéticas de mérito. Do lado prático, será importante avaliar se e como os conceitos de energia unitária e de correlação impactam a energia custo de tecnologias quânticas macroscópicas e full-stack", concluiu ela.

Mais informações: I. Maillette de Buy Wenniger et al, Análise Experimental de Transferências de Energia entre um Emissor Quântico e Campos de Luz, Cartas de Revisão Física (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.260401.
Informações do diário: Cartas de revisão física

© 2024 Science X Network