量子能量交換:探索光場和量子發(fā)射器

實驗過程中能量交換的圖示。來源:N. Belabas/ I. Maillette de Buy Wenniger/ A. auff / P. Senellart《物理評論快報》上的一項新研究闡明了二部量子系統(tǒng)中能量交換的復(fù)雜性，為量子相干性、純減相效應(yīng)以及對未來量子技術(shù)的潛在影響提供了深刻的見解。在量子系統(tǒng)中，粒子的行為和能量傳遞是由概率分布和波函數(shù)控制的，這給能量交換的理解增加了復(fù)雜性。

量子系統(tǒng)中能量交換的探索本質(zhì)上涉及處理量子退相干和量子系統(tǒng)運行的尺度所引起的復(fù)雜性，引入靈敏度。盡管存在這些挑戰(zhàn)，研究量子系統(tǒng)中的能量交換對于推進量子技術(shù)和理解量子力學(xué)的基本方面至關(guān)重要。

研究人員的目標(biāo)是彌合量子光學(xué)和熱力學(xué)理論預(yù)測與實驗觀察之間的差距。通過探索二部量子系統(tǒng)中的能量交換，該研究努力為理解其中復(fù)雜的動力學(xué)提供一個全面的框架。“從我的博士學(xué)位和我的學(xué)術(shù)之旅開始，我已經(jīng)建立了實驗量子光學(xué)的背景，當(dāng)我轉(zhuǎn)向理論時，我一直保持著這一背景。十年前，我開始研究量子熱力學(xué)，從那時起，我就一直致力于彌合這兩個領(lǐng)域之間的差距?！斑@些結(jié)果代表了這些努力的美麗具體化，”新加坡量子技術(shù)中心的訪問研究教授、該研究的合著者Alexia auff教授告訴Phys.org。

單一能量和相關(guān)能量

雙部系統(tǒng)是指由兩個獨立的實體或子系統(tǒng)組成的量子系統(tǒng)，通常表現(xiàn)為糾纏和量子疊加。這些系統(tǒng)內(nèi)的能量交換，如研究中所研究的，提供了對量子動力學(xué)的見解。用該研究背后的理論家auff教授的話來說，“當(dāng)兩個量子系統(tǒng)耦合但在其他方面是孤立的，它們可以通過兩種方式交換能量:要么通過相互施加力，要么通過糾纏。我們分別將這些能量交換稱為“單一性”和“相關(guān)性”。"

這一區(qū)別突出了二部系統(tǒng)中能量相互作用的雙重性質(zhì)，包括涉及力的單一能量和由糾纏產(chǎn)生的相關(guān)能。理解這些系統(tǒng)中的動力學(xué)對于推進量子力學(xué)和開發(fā)量子計算等應(yīng)用至關(guān)重要。特別是，二部系統(tǒng)是量子門和算法操作的重要組成部分，是新興量子技術(shù)的基礎(chǔ)。

auff教授進一步闡述了研究重點，“我們已經(jīng)從實驗和理論上研究了這些能量交換，首先是量子比特和光場之間的能量交換，其次是通過分束器耦合的兩個光場之間的能量交換?！?/p>

第一部分:量子比特的自發(fā)發(fā)射

在研究的第一部分，研究人員專注于量子比特的自發(fā)發(fā)射，以量子點為代表。量子點是具有量子力學(xué)特性的納米級半導(dǎo)體。

它通常被稱為人造原子，因為像原子一樣，它具有離散的能級。量子點被放置在一個空的電磁模式中，這意味著沒有電磁場的干擾或相互作用。auff教授解釋說:“我的團隊以前獲得的理論結(jié)果預(yù)測，轉(zhuǎn)移到真空場的單位能量的數(shù)量應(yīng)該與量子比特的初始量子相干性成正比?！焙唵蔚卣f，當(dāng)量子比特最初是在基態(tài)和激發(fā)態(tài)的相等疊加狀態(tài)下制備時，向真空場的單位能量轉(zhuǎn)移是最大的。

在這種情況下，傳遞的單位能量等于量子比特釋放的總能量的一半。相反，如果量子比特最初是反轉(zhuǎn)的，那么只有相關(guān)能被轉(zhuǎn)移到場中。這種對量子比特初始量子態(tài)的依賴凸顯了量子系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)移的復(fù)雜本質(zhì)。第一部分的結(jié)果正是研究人員所期望的。正如auffires教授所強調(diào)的，“論文中報告的實驗完美地滿足了我們的期望。它們包括一個量子比特，一個量子點耦合到一個泄漏的半導(dǎo)體微腔。"

“場接收到的單一能量，即鎖定在發(fā)射場的相干分量中的能量，是使用純差裝置測量的。實驗控制的水平是這樣的，即統(tǒng)一能量幾乎達到理論界限，無論量子點的初始狀態(tài)是什么。"

這意味著該團隊可以準(zhǔn)確地測量和理解在這個過程中量子場是如何交換能量的。第二部分:耦合兩個光場

在第二部分，研究人員檢查了發(fā)射光場和參考相干場之間的能量交換。這兩個場通過分束器進行了復(fù)雜的耦合，分束器是量子光學(xué)中常用的一種設(shè)備，用于控制光束的路徑。這項研究涉及一個量子系統(tǒng)，讓人想起線性光子量子計算，通過分束器結(jié)合光場的干涉。“與第一個案例不同，這項研究是一個未知的領(lǐng)域。這引發(fā)了理論與實驗之間令人興奮的對話，將我們的統(tǒng)一能和相關(guān)能概念擴展到這個新情況，并研究新的行為和模式?！倍糠治鼋沂玖艘粋€重要的發(fā)現(xiàn):單一的能量轉(zhuǎn)移被證明是依賴于發(fā)射場的純度和相干性。這意味著光場的特性，特別是它的純度和相干性，在決定單位能量交換的性質(zhì)和大小方面起著至關(guān)重要的作用。

auff教授解釋說:“在這兩種情況下，我們發(fā)現(xiàn)光場接收的單位能量(分別為相關(guān)能)等于該場的相干分量(分別為非相干分量)的能量變化?！绷孔討?yīng)用及超越

auff教授說:“我們在這篇論文中建立的框架可以在未來光子量子計算的能量分析中發(fā)揮關(guān)鍵作用?！崩斫饽芰亢挽亟粨Q對于增強糾纏產(chǎn)生和量子門等過程至關(guān)重要。正如研究中所揭示的那樣，在更高溫度下管理純脫相對于實現(xiàn)量子門所需的有效的單一能量交換至關(guān)重要。

談到未來的研究，auffires教授希望通過使用能量和熵的工具來探索量子光學(xué)來關(guān)注事物的基本方面。

“例如，通過提取不可逆性的光學(xué)特征，或者反過來，用有價值的能量數(shù)字檢測場的量子。在實際應(yīng)用方面，評估單一能量和相關(guān)能量的概念是否以及如何影響宏觀、全棧量子技術(shù)的能源成本將是很重要的?！?/p>