Секреты квантового энергообмена: открывая потенциал световых полей

Квантовая механика — это раздел физики, который занимается изучением частиц и энергии на микроскопическом уровне. В квантовом мире все определяется вероятностями и волновыми характеристиками, что сильно отличает его от классического мира, в котором мы привыкли жить.

Один из основных вопросов, которые интересуют квантовых физиков, это то, как квантовые системы взаимодействуют друг с другом и со своей средой посредством передачи энергии. Это важно не только для понимания фундаментальных законов природы, но и для разработки новых квантовых технологий, таких как квантовые компьютеры, квантовая криптография и квантовые сенсоры.

Недавно группа ученых из Сингапура и Франции провела уникальное исследование, в котором они теоретически и экспериментально исследовали передачу энергии в двухчастичных квантовых системах, то есть системах, состоящих из двух отдельных квантовых объектов, таких как атомы, фотоны или кубиты. Их результаты были опубликованы в престижном журнале Physical Review Letters и представляют собой значительный вклад в квантовую оптику и термодинамику.

Два способа передачи энергии

Авторы исследования предложили две новые концепции для описания передачи энергии в двухчастичных квантовых системах: унитарную и корреляционную энергию.

Унитарная энергия — это энергия, которая передается между двумя квантовыми системами в результате действия сил, таких как электромагнитное притяжение или отталкивание. Эта способ передачи энергии сохраняет квантовую когерентность системы, то есть способность находиться в суперпозиции разных состояний.

Корреляционная энергия — это энергия, которая передается между двумя квантовыми системами в результате их запутанности, то есть квантового явления, при котором две системы становятся неразделимо связанными и зависят друг от друга, даже если они находятся на большом расстоянии. Эта способ передачи энергии уменьшает квантовую когерентность системы, но увеличивает ее квантовую информацию.

Авторы показали, что количество унитарной и корреляционной энергии, передаваемой между двумя квантовыми системами, зависит от их начальных состояний, характеристик и взаимодействия. Они также показали, как измерить эти величины с помощью оптических методов.

Два эксперимента

Для демонстрации своих идей авторы провели два разных эксперимента, в которых они исследовали передачу энергии в двухчастичных квантовых системах, используя световые поля.

В первом эксперименте они рассмотрели случай спонтанного излучения кубита, представленного квантовой точкой — наноразмерным полупроводником, который может находиться в двух квантовых состояниях: основном и возбужденном. Квантовая точка была помещена в вакуумное состояние, и подвергалась лазерному возбуждению. При этом квантовая точка испускала фотоны в вакуум, теряя энергию.

Авторы измерили, сколько унитарной и корреляционной энергии передалось от квантовой точки к вакуумному состоянию, и обнаружили, что это зависит от начальной квантовой когерентности кубита. Если кубит был изначально в равной суперпозиции основного и возбужденного состояний, то он передавал максимальное количество унитарной энергии, равное половине своей общей энергии. Если же кубит был изначально в инвертированном состоянии, то он передавал только корреляционную энергию.

Во втором эксперименте они рассмотрели случай связывания двух световых полей с помощью делителя пучка — устройства, которое разделяет световой пучок на два. Одно из полей было излучаемым полем от квантовой точки, а другое — эталонным когерентным полем от лазера. Оба поля проходили через делитель пучка и интерферировали друг с другом.

Авторы измерили, сколько унитарной и корреляционной энергии передалось от излучаемого поля к эталонному полю, и обнаружили, что это зависит от чистоты и когерентности излучаемого поля. Чем выше эти параметры, тем больше унитарной энергии передается между полями.

Квантовые перспективы

Это исследование открывает новые горизонты для понимания и контроля передачи энергии в квантовых системах. Оно также имеет потенциальные приложения для квантовых технологий, таких как квантовые вычисления, которые основаны на использовании двухчастичных систем.

Авторы намерены продолжать свои исследования в этом направлении, расширяя свои концепции унитарной и корреляционной энергии на более сложные и реалистичные ситуации. Они также хотят исследовать фундаментальные аспекты квантовой оптики и термодинамики с помощью энергетических и энтропийных инструментов. Например, путем извлечения оптических сигнатур необратимости или, наоборот, обнаружения квантовости поля с энергетическими критериями качества.