Badania ujawniają nowe egzotyczne zjawiska kwantowe w atomowych interfejsach nanofotonicznych
Badania nad sprawnymi i wydajnymi interfejsami światło-materia w nanoskali wzbudziły niedawno ogromne zainteresowanie ze względu na ich liczne potencjalne zastosowania, począwszy od komputerów kwantowych, a kończąc na czujnikach kwantowych umożliwiających wykrywanie pojedynczych fotonów. Wzmacnianie interakcji światło-materia zazwyczaj opiera się na sprzężeniu atomu z makroskopowym układem, takim jak duża wnęka optyczna, lub łączeniu gęstych chmur atomów ze światłem w wolnej przestrzeni. Kolejnym krokiem jest sprzężenie atomów ze strukturami nanofotonicznymi. Tego rodzaju integracja może sprawić, że oddziaływania światło-materia staną się jeszcze silniejsze, co pozwoli na opracowywanie znacznie lepszych układów. „Najważniejszym pytaniem pozostaje jednak to, czy wykorzystanie interfejsów nanofotonicznych może pozwolić nam na odkrycie zjawisk kwantowych, których obserwacja była dotychczas niemożliwa – nie chodzi tu tylko o usprawnienie istniejących rozwiązań”, zauważa Darrick Chang, stypendysta ERBN i główny badacz finansowanego przez ERBN projektu FoQAL. „Z teoretycznego punktu widzenia musimy zadać sobie pytanie, w jaki sposób możemy modelować te nowe systemy, które wyglądają zupełnie inaczej niż ich większe odpowiedniki?”, dodaje Chang.
Nowy model uwzględniający dynamikę kwantową
Uzyskiwanie szczegółowych opisów dynamiki kwantowej atomów oraz światła w nanoskali jest niezwykle trudnym zadaniem, co wynika głównie z dużej liczby atomów oraz nieskończonej liczby modów światła, które określają sposób przemieszczania się fal świetlnych w przestrzeni. Zespół opracował nowatorską i uniwersalną metodę formalną, która pozwala na ustalenie stanów elektronowych (spinów) atomów w roli podstawowych stopni wolności – niezależnych wartości, które mogą od siebie odbiegać. W tym tak zwanym modelu spinowym atomy oddziałują na siebie poprzez wymianę fotonów. „Rozwiązanie tego modelu umożliwi nam wyprowadzenie wszystkich właściwości kwantowych fotonów, generowanych w oparciu o właściwości samych atomów. Ta dokładna formuła eliminuje potrzebę śledzenia nieskończonej liczby modów optycznych”, wyjaśnia Chang.
Nie można zapominać o interferencji fal świetlnych
Wykorzystując model spinowy, naukowcy wykazali, że nanofotoniczne falowody kryształowe to nowatorskie platformy, w których mogą zachodzić wzajemne oddziaływania fotonów i atomów, nawet w sytuacjach, w których rozdzielają je stosunkowo duże odległości. Tego rodzaju oddziaływania długodystansowe występują rzadko w większości układów fizycznych, jednak umożliwiają obserwację wyjątkowych zjawisk, takich jak tworzenie kryształów kwantowych przez atomy splecione ze sobą w wyniku splątania kwantowego. Model ten pomógł również zespołowi projektu FoQAL w uzyskaniu nowych informacji na temat konwencjonalnych gazów atomowych w wolnej przestrzeni. Naukowcom udało się między innymi przewidzieć dzięki niemu nową wartość związaną z pamięcią kwantową światła, która okazała się znacznie lepsza od wartości uznawanej dotąd za podstawową. Ten wyjątkowy przełom wynika z wykorzystania interferencji fal w przypadku emisji światła przez atomy, maksymalizowanej w przypadku uwięzienia atomów w bliskiej odległości. Co ciekawe, w typowych interfejsach światło-materia zjawisko interferencji jest całkowicie ignorowane ze względu na trudności wynikające z uwzględnienia go w równaniach bądź też ze względu na jego pomijalny charakter. „Wyniki naszych badań sugerują, że interferencja jest kluczowym elementem, który może zwiększyć pojemność oraz sprawność interfejsów światło-materia. Wydaje się zatem istotne zbadanie, czy interferencja może zostać wykorzystana w celu wzmocnienia innych zastosowań kwantowych oraz czy może doprowadzić do odkrycia kolejnych zjawisk, które podważają naszą wiedzę na temat oddziaływań pomiędzy atomami i światłem”, podsumowuje Chang.
Słowa kluczowe
FoQAL, interferencja, oddziaływanie światło-materia, egzotyczne zjawiska kwantowe, kryształ nanofotoniczny, interfejs nanofotoniczny, model spinowy, pamięć kwantowa