Pulsed coherent and squeezed driving of a spin-$S$ emitter as a deterministic source of Wigner-negative light

In der Welt der Quantentechnologie ist Licht nicht nur ein Strahl, der einen Raum beleuchtet; es ist ein empfindliches Werkzeug, das in der Lage ist, Informationen auf eine Weise zu übertragen, die die klassische Physik nicht erklären kann. Für viele fortgeschrittene Anwendungen, wie den Bau von Quantencomputern oder das Durchführen ultrapräziser Messungen, benötigen Wissenschaftler Licht, das sich auf eine deutlich seltsame Weise verhält. Dieses Verhalten wird oft durch eine mathematische Abbildung beschrieben, die Wigner-Verteilung genannt wird und wie eine topografische Karte für den Quantenzustand des Lichts fungiert. Auf dieser Karte sieht das meiste gewöhnliche Licht, wie etwa das eines Laserpointers, wie ein glatter, positiver Hügel aus. Die nützlichsten Quantenzustände des Lichts besitzen jedoch „negative“ Täler auf dieser Karte. Diese negativen Regionen sind ein definitives Merkmal dafür, dass sich das Licht auf eine Weise verhält, die für klassische Objekte unmöglich ist, was es als Ressource für die nächste Generation der Technologie kennzeichnet. Die Herausforderung bestand bisher immer darin, wie man diese negativen Zustände zuverlässig erzeugt. Historisch gesehen mussten sich Wissenschaftler auf das Glück verlassen, indem sie das Licht erzeugten und dann hofften, dass eine Messung bestätigte, dass es funktioniert hat – ein Prozess, der langsam und ineffizient ist.

Einem Team von Forschern der University of Auckland ist es gelungen, diese Abhängigkeit vom Zufall zu umgehen. Sie haben durch detaillierte Computersimulationen demonstriert, dass sie diese wertvollen negativen Lichtzustände auf Abruf erzeugen können, und zwar mit einer Methode, die sowohl deterministisch als auch hocheffizient ist. Ihr Ansatz besteht darin, einen kurzen, kontrollierten Lichtpuls auf einen winzigen Emitter abzufeuern, ein atomähnliches System, das in verschiedenen Energiezuständen existieren kann. Durch die sorgfältige Gestaltung der Pulsform und des Zeitpunkts der Wechselwirkung können sie das austretende Licht dazu zwingen, sich in einen Zustand mit tiefen negativen Tälern auf seiner Wigner-Karte zu verwandeln. Die Forscher fanden heraus, dass diese Methode Licht mit einem Grad an Quanten-Seltsamkeit erzeugt, der weit über das bisher Mögliche mit kontinuierlichen, stetigen Lichtströmen hinausgeht. Sie zeigten, dass sie durch die Anpassung der Stärke und Form des eingehenden Pulses spezifische, hochkomplexe Quantenzustände erzeugen konnten, einschließlich solcher, die einem räumlich verschobenen Einzelphoton ähneln, oder sogar noch exotischerer Formen, die einer Superposition zweier verschiedener gequetschter Zustände (Squeezed States) gleichen.

Die Studie beginnt mit der Betrachtung eines einfachen Zwei-Niveau-Systems, das wie ein grundlegender Schalter fungiert, der entweder an oder aus sein kann. Wenn dieses System mit einem kohärenten Lichtpuls getroffen wird, beobachteten die Forscher, dass das ausgehende Licht so abgestimmt werden konnte, dass es starke negative Merkmale aufweist. Sie entdeckten, dass die Menge der Negativität nicht einfach und stetig mit stärker werdendem Puls ansteigt, sondern statっ in einem komplexen Muster fluktuiert. Durch den Einsatz von Optimierungstechniken, um die perfekte Kombination aus Pulsbreite und Timing zu finden, identifizierten sie einen spezifischen Aufbau, der einen Zustand erzeugt, der einem verschobenen Einzelphoton-Zustand sehr nahe kommt. Dies ist ein bedeutender Befund, da es darauf hindeutet, dass es einen zuverlässigen Weg gibt, einen fundamentalen Baustein für das Quantencomputing zu schaffen, ohne Ergebnisse herausfiltern zu müssen. Die Simulationen zeigten, dass dieser optimale Zustand ein negatives Volumen besitzt – ein Maß dafür, wie viel „Quantenhaftigkeit“ vorhanden ist –, das mehr als fünfmal größer ist als das, was in früheren Experimenten unter Verwendung von Methoden der stetigen Anregung erreicht wurde.

Die Forscher erweiterten ihre Untersuchung anschließend auf komplexere Emitter, Systeme, die mehr als nur zwei Energieniveaus halten können, ähnlich einem Drehregler mit mehreren Einstellungen statt eines einfachen Schalters. Sie fanden heraus, dass das Anregen dieser höherwertigen Spin-Systeme mit Lichtpulsen noch dramatischere Ergebnisse lieferte. Als sie die Komplexität des Emitters erhöhten, wuchs die Menge der Negativität im Ausgangslicht signifikant an. Für ein System mit einem Spin von drei-Halb erbrachte das negative Volumen Werte, die alle derzeit bekannten deterministischen Methoden weit übertreffen. Die Formen dieser neuen Zustände begannen, Mustern von Mehr-Photonen-Zuständen zu ähneln, was darauf hindeutet, dass diese Technik dazu verwendet werden könnte, deterministisch Zustände mit spezifischen Teilchenzahlen zu erzeugen – eine Fähigkeit, die derzeit nur schwer zu erreichen ist.

In einer zweiten Untersuchungsreihe ersetzte das Team die Standard-Kohärenzlichtpulse durch gepresste Lichtpulse (Squeezed Light). Gepresstes Licht ist eine spezielle Art von Licht, bei der die Unsicherheit in einer Eigenschaft reduziert wird, auf Kosten einer anderen, was es zu einem leistungsstarken Werkzeug für die Präzision macht. Als sie das einfache Zwei-Niveau-System mit diesen gepressten Pulsen antrieben, sahen die resultierenden Lichtzustände wie „Schrödingers Katze“-Zustände aus, also Superpositionen zweier unterscheidbarer Quantenrealitäten. Diese Zustände sind aufgrund ihres Potenzials für das fehlertolerante Quantencomputing hoch geschätzt. Die Simulationen zeigten, dass die Puls-Methode erneut die Methoden der stationären Zustände übertraf und Zustände mit wesentlich tieferen negativen Tälern produzierte. Die Forscher waren in der Lage, die Kompression (Squeezing) und das Timing des Pulses fein abzustimmen, um diesen Effekt zu maximieren, wobei sie einen optimalen Punkt fanden, an dem der erzeugte Zustand fast identisch mit einem theoretischen gepressten Katzenzustand war.

Die vielleicht überraschendste Entdeckung gelang dem Team, als sie gepresste Pulse auf einen Spin-1-Emitter anwandten, ein System mit drei Energieniveaus. Hier nahm die Physik eine einzigartige Wendung. Die Wechselwirkung zwischen dem gepressten Licht und dem Drei-Niveau-System führte zu einem Zustand, in dem die Zwei-Photonen-Komponente fast vollständig fehlte. In dem ausgehenden Licht wurde die Wahrscheinlichkeit, genau zwei Photonen zu finden, unterdrückt, während andere Photonenzahlen bestehen blieben. Dieses Phänomen, das die Forscher als „Zwei-Photonen-Ausschluss“ bezeichnen, erzeugt ein gitterartiges Muster in der Quantenkarte, das einem spezifischen Typus eines Quantenfehlerkorrektur-Codes namens GKP-Zustand ähnelt. Diese Zustände gelten als der „Heilige Gral“ für den Bau robuster Quantencomputer, da sie Informationen vor Rauschen schützen können. Die Simulationen zeigten, dass das auf diese Weise erzeugte Licht eine hohe Ähnlichkeit mit diesen idealen GKP-Zuständen aufweist, was einen potenziellen neuen Weg eröffnet, sie deterministisch zu erzeugen.

Im Laufe ihrer Arbeit betonten die Forscher, dass diese Ergebnisse aus strengen numerischen Simulationen eines kaskadierten Systems stammen, bei dem Licht von einer Quelle durch einen Emitter in einen Auffangresonator fließt. Sie modellierten sorgfältig, wie die Lichtpulse mit dem Emitter interagieren und wie das Timing der Pulse den Endzustand beeinflusst. Sie untersuchten auch, wie Imperfektionen, wie etwa Licht, das in die falsche Richtung entweicht, oder ein Emitter, der leicht neben der Resonanzfrequenz des Lichts liegt, die Ergebnisse beeinflussen würden. Ihre Analyse zeigte, dass diese Imperfektionen zwar die Qualität der negativen Zustände verringern, der Kerneffekt jedoch robust bleibt, solange das System angemessen abgestimmt ist. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass durch den Übergang von kontinuierlicher zu gepulster Anregung und unter Nutzung von Emittern mit unterschiedlicher Anzahl von Energieniveaus möglich ist, eine breite Palette hochgradig nicht-klassischer Lichtzustände zu erzeugen. Diese Arbeit liefert einen theoretischen Bauplan für eine deterministische Quelle für Wigner-negatives Licht und bringt das Feld näher an die praktische Realisierung von Quantentechnologien, die auf diesen fragilen und kraftvollen Materiezuständen beruhen.