Иллюстрация: G. Enzian et al. / Physical Review Letters. Недавно физики продемонстрировали возможность контролируемого удаления так нахываемых фононов из резонатора путем применения лазерных фотонов. Данный метод позволил им просто осуществить томографию оставшихся фононов, что подтвердило их неклассическую статистику. Результаты этого исследования опубликованы в Physical Review Letters. С ростом числа частиц физические системы склонны переходить из квантового режима в классический. Граница этой трансформации индивидуальна для каждой системы. Ученые по всему миру ведут активные поиски способов сдвинуть эту границу как можно дальше. Итогом таких исследований станет наблюдение состояния квантовой суперпозиции макроскопического тела, что демонстрирует фундаментальные особенности квантовой механики. На данный момент физикам удалось добиться такого эффекта для объектов сравнительно небольшого размера, например, мембран толщиной 10 микрометров.
Другим отклонением от классического поведения оказывается статистическое распределение по доступным степеням свободы физической системы. Речь идет, например, о числе фотонов или фононов. При переходе к большому числу частиц системы быстро термализуются, то есть неизбежно переходят в состояние, в котором статистика подчиняется распределению Гаусса. Если же удается добиться негауссовой статистики, то такое состояние оказывается неклассическим. В частном случае неклассическое состояние можно представить в виде квантовой суперпозиции классических состояний, что получило название состояний кота Шрёдингера.
Важным этапом на пути к созданию таких состояний стала возможность манипуляции отдельными фотонами или фононами, а также прогресс в области квантовой оптомеханики. Физики уже научились видеть вычитание и добавление одиночных квантов звука. И если раньше для этого нужны были низкие температуры, то недавно ученые смогли добиться этого при комнатной температуре и зафиксировать соответствующую негауссову статистику.
Группа физиков из Австралии и Великобритании при участии Майкла Вэннера (Michael Vanner) из Имперского колледжа Лондона пошла дальше и, увеличив точность квантовой томографии, пронаблюдала состояния, которые получаются при вычитании двух фононов. Авторы подтвердили, что, как и в случае вычитания одиночного фонона, среднее число частиц в таких состояниях испытывает контринтуитивное умножение. Если для одиночного вычитания оно удваивается, то для двойного вычитания — утраивается.
Чтобы сделать это, физики создавали два оптических резонатора из фторида бария с модами шепчущей галереи в непосредственной близости относительно друг друга. Резонаторы были настроены на частоту лазера, но немного отличались так, чтобы разница между энергиями запасенных ими фотонов равнялась энергии возбужденных в образце фононов. Это давало авторам возможность фиксировать увеличение и уменьшение числа фононов на единицу, наблюдая за стоксовым и антистоксовым обменом энергией между резонаторами с помощью детектирования соответствующих одиночных фотонов, попадающих на лавинный детектор.
Помимо управляющей функции, лазерное излучение, провзаимодействовавшее с фононами, несло информацию об их статистике. Для томографии механического состояния такие фотоны через дополнительный волновод передавались на балансный гетеродинный детектор. Сигнал с лавинного детектора запускал в нем сравнение состояний фотонов с когерентными состояниями, что позволяло физикам извлекать функцию Вигнера, характеризующую статистику механический степеней свободы.
Авторы настроили свою установку для вычитания одного и двух фононов и измерили соответствующие s-параметризованных функции Вигнера. Они убедились, что сразу после вычитания статистика фононов имеет существенно негауссовый характер, что выражается в кольцеподобном виде этих функций в фазовом пространстве. Радиус этих колец с хорошей точностью отражал удвоение и утроение среднего числа фононов, предсказываемое теорией.
Экспериментально измеренные s-параметризованные функции Вигнера для исходного состояния (a), а также для состояний с вычетом одного (b) и двух (c) фононов. Штрихпунктирной линией показаны ожидаемые из теории максимумы. G. Enzian et al. / Physical Review Letters
Физики исследовали также зависимость вариации сигнала, нормированной на квантовый шум, от времени. Ее увеличение в момент детектирования сигнального фотона в два и три раза, соответственно, также было в хорошем соответствии с теорией. Авторы отмечают, что такое хорошее соответствие стало возможным благодаря увеличению эффективности томографии на целый порядок по сравнению с предыдущими работами. Они надеются, что их работа станет важным шагом к созданию оперативной памяти для квантовых компьютеров, а также поможет лучше понять переход от квантового к классическому в больших системах.
Современная физика дошла до предела, когда всего одна частица может вызвать существенный отклик среды. В качестве примера можно привести однофотонную поляритонную конденсацию, про которую мы недавно рассказывали.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
