Команда Калифорнийского технологического института недавно обнаружила явление, называемое коллективно индуцированной прозрачностью (CIT), которое возникает, когда группа атомов внезапно перестает отражать свет на определенных частотах. Это открытие может привести к новым применениям в квантовых вычислениях, включая разработку более эффективной квантовой памяти.
Квантовая электродинамика полости (КЭП) - это изучение взаимодействия между светом, заключенным в отражающей полости, и атомами (или другими частицами) на самом фундаментальном уровне, в условиях, когда квантовая природа фотонов имеет большое значение. Эта область исследований получила значительные экспериментальные достижения в последние десятилетия благодаря разработке микро- и наноскопических устройств и методов лазерной ловушки, отмечают исследователи. Эти достижения привели к применению КЭП для обработки квантовой информации.
Способность изменять свойства излучателей с помощью света (и наоборот) оказалась незаменимым инструментом для высококонтролируемых квантовых операций, объясняет команда. Предыдущая работа была посвящена КЭП в системах с несколькими эмиттерами, которые были в виде атомных газов. Здесь исследователи поставили перед собой задачу изучить взаимодействие света и материи с редкоземельными ионами, интегрированными в твердые тела (твердотельная реализация открывает возможность интеграции в квантовые приложения на кристалле). Именно тогда они обнаружили прозрачное окно прозрачности в спектре отражения оптической полости.
"Мы не знали о существовании такого прозрачного окна. Наше исследование стало прежде всего попыткой выяснить, почему", — говорит Андрей Фараон, профессор прикладной физики и электротехники в Калтехе и соавтор статьи, в которой сообщается об открытии. Для проведения экспериментов Фараон и его коллеги поместили около миллиона атомов иттербия, внедренных в ванадат иттрия (YVO4), внутрь крошечной оптической полости (или оптического резонатора) - устройства с зеркалами, в котором некоторые лучи света остаются запертыми в результате последовательных отражений. Они бомбардировали эти атомы лазерным лучом.
Оптический резонатор был изготовлен в Институте нанонауки Кавли при Калтехе, его длина составляет всего 20 микрометров, а размеры - менее 1 микрометра. Это необычное устройство позволило им сделать беспрецедентное открытие. "Используя обычные методы измерения квантовой оптики, мы обнаружили, что наша система достигла неисследованного режима, открыв новую физику", — сказал Рикуто Фукумори, ученый в области квантовой информации и соавтор исследования.
Группы атомов постоянно поглощают и переизлучают свет. Поэтому, как и предполагалось, лазерный свет, казалось, "отскакивает" от них. Однако команда обнаружила, что это происходит только до определенного момента: они обнаружили, что на определенной частоте появляется "окно прозрачности". Тогда свет просто беспрепятственно проходит через полость.
Проанализировав это прозрачное окно, они смогли выяснить явление, которое его вызвало: оказалось, что оно похоже на деструктивную интерференцию - которая возникает, когда две волны, исходящие от разных источников и одинаковой амплитуды, накладываются друг на друга, хотя они находятся вне фазы (их экстремумы отменяют друг друга). В этом эксперименте группы атомов непрерывно отражают лазерный свет, но на частоте CIT свет, переизлучаемый каждым из атомов в группе, создает равновесие, что приведет к уменьшению отражения.
"Мы смогли отслеживать и контролировать квантово-механические взаимодействия света и материи в наномасштабе", — говорит соавтор исследования Джунхи Чой, бывший постдокторант Калтеха, а ныне доцент Стэнфордского университета.
Помимо явления прозрачности, исследователи также заметили, что ансамбль атомов может поглощать и испускать лазерный свет гораздо быстрее (или гораздо медленнее), чем отдельный атом, в зависимости от интенсивности лазерного излучения. Эти процессы, называемые "сверхизлучение" и "субизлучение" соответственно, и лежащая в их основе физика до сих пор плохо изучены из-за большого количества взаимодействующих квантовых частиц.
"Их наблюдение представляет собой ключевой шаг на пути к созданию сверхизлучающих лазеров с ультратонкой шириной линии и долгоживущих твердотельных субизлучающих запоминающих устройств", — отмечают ученые в своей статье. Эта работа расширяет наше понимание таинственного мира квантовых эффектов и может однажды проложить путь к более эффективной квантовой памяти, в которой информация хранится в наборе тесно связанных атомов. Андрей Фараон уже работал над созданием квантовой памяти, манипулируя взаимодействием нескольких атомов ванадия. Открытие CIT также может помочь в реализации квантовых сетей:
"Помимо памяти, эти экспериментальные системы дают важное представление о разработке будущих соединений между квантовыми компьютерами", — сказал профессор Мануэль Эндрес, другой соавтор исследования.