Физиците хвърлят нова светлина върху стар проблем с квантовата оптика относно колективното поведение


Физиците от Колумбия хвърлят нова светлина върху стар проблем с квантовата оптика за колективното поведение

Кредит: Герд Алтман от Pixabay

Когато атомите взаимодействат един с друг, те се държат като цяло, а не като отделни единици. Това може да доведе до синхронизирани отговори на входове, явление, което, ако бъде правилно разбрано и контролирано, може да се окаже полезно за разработване на източници на светлина, изграждане на сензори, които могат да извършват свръхпрецизни измервания и разбиране на разсейването в квантовите компютри.

Но можете ли да разберете кога атомите в групата са синхронизирани? В нова работа в Природни комуникациифизикът от Колумбия Ана Асенджо-Гарсия и нейният постдок Стюарт Масън показват как явление, наречено свръхлъчист изблик, може да показва колективно поведение сред масиви от атоми, решавайки проблема, който е бил от десетилетия в областта на квантовата оптика.

Светенето на лазер върху атом добавя енергия, поставяйки го в това, което е известно като „възбудено“ състояние. В крайна сметка той ще се разпадне обратно до базовото си енергийно ниво, освобождавайки допълнителната енергия под формата на частица светлина, наречена фотон. Още през 50-те години на миналия век физикът Робърт Дике показа, че интензитетът на светлинния импулс, излъчван от един-единствен възбуден атом, който излъчва фотони в произволно време, веднага ще започне да намалява. Пулсът от група всъщност ще бъде “свръхлъчист”, като интензитетът му се увеличава отначало, защото атомите излъчват по-голямата част от енергията в кратък, ярък изблик на светлина.

Проблемът? В теорията на Дике всички атоми се съдържат в а единична точка— теоретична възможност, която не може да съществува в действителност.

В продължение на десетилетия изследователите обсъждаха дали атомите, разположени в различни подреждания, като линии или прости решетки, ще проявяват свръхлъчение или ако някакво разстояние незабавно ще премахне този външен признак на колективно поведение. Според изчисленията на Масон и Асенджо-Гарсия, потенциалът винаги е налице. „Без значение как подреждате атомите си или колко има, винаги ще има свръхлъчист изблик, ако са достатъчно близо един до друг“, каза Масън.

Техният подход преодолява голям проблем в квантова физика: тъй като системата става по-голяма, става експоненциално по-сложно да се извършват изчисления за нея. Според работата на Asenjo-Garcia и Masson, предсказването на свръхлъчение се свежда само до два фотона. Ако първият фотон, излъчен от групата, не ускори излъчването на втория, няма да последва избухване. Определящият фактор е разстоянието между атомите, което варира в зависимост от това как са подредени. Например, масив от 40×40 атоми ще покаже взрив, ако те са в рамките на 0,8 от дължината на вълната един от друг.

Според Масън това е постижимо разстояние при най-съвременните експериментални настройки. Въпреки че все още не може да попълни подробности за силата или продължителността на взрива, ако масивът е по-голям от 16 атома (тези точни изчисления са твърде сложни, дори на суперкомпютрите на Колумбия), простата прогнозна рамка, разработена от Masson и Asenjo-Garcia, може показват дали даден експериментален масив ще произведе свръхлъчение, което е знак, че атомите се държат колективно.

В някои приложения — например в така наречените суперрадиантни лазери, които са по-малко чувствителни към термични колебания отколкото конвенционалните – синхронизираните атоми са желана характеристика, която изследователите ще искат да включат в своите устройства. В други приложения, като опити за физическо свиване на атомни масиви за квантови изчисления, колективно поведение може да доведе до непредвидени резултати, ако не се отчете правилно. „Не можете да избягате от колективната природа на атомии може да се случи на разстояния, по-големи, отколкото бихте очаквали”, каза Масън.


Свръхлъчение на ансамбъл от ядра, възбудени от лазер на свободен електрон


Повече информация:
Стюарт Масон и др., Универсалност на свръхлъчението на Дике в масиви от квантови излъчватели, Природни комуникации (2022 г.). doi.org/10.1038/s41467-022-29805-4

RH Dicke, Кохерентност в спонтанните радиационни процеси, Физически преглед (2002). DOI: 10.1103 / PhysRev.93.99

Цитат: Физиците хвърлят нова светлина върху стар проблем с квантовата оптика относно колективното поведение (2022 г., 18 май), извлечен на 21 май 2022 г. от https://phys.org/news/2022-05-physicists-quantum-optics-problem-behavior.html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяка честна сделка с цел частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писменото разрешение. Съдържанието е предоставено само за информационни цели.