Dissipation-selected photon-phonon pair and photon-bundle emission in a tripartite Mollow system

Auf der Suche nach der nächsten Generation von Quantentechnologien haben Wissenschaftler Energieverlust, oder Dissipation, lange Zeit als Feind betrachtet. In der empfindlichen Welt der Quantenmechanik, in der Teilchen in fragilen Superpositionen von Zuständen existieren, neigt jede Wechselwirkung mit der Außenwelt dazu, Informationen zu zerstreuen und genau die Eigenschaften zu zerstören, die Quantensysteme nützlich machen. Jahrzehntelang war das Ziel, diese Systeme perfekt zu isolieren und sie vor dem Rauschen des Universums abzuschirmen, um ihre speziellen Zustände zu bewahren. Doch eine neue Perspektive zeichnet sich aus der Untersuchung von Licht und Materie ab. Forscher beginnen zu erkennen, dass Verlust nicht nur ein Ärgernis ist, das es zu vermeiden gilt, sondern ein Werkzeug, das man abstimmen kann. Indem man kontrolliert, wie ein System Energie verliert, lässt sich möglicherweise der Output eines Quantengeräts steuern, indem man entscheidet, welche Art von Teilchen oder Zustand genau freigesetzt wird. Dieser Denkansatz geht über das bloße Versuch, Zerfall zu verhindern, hinaus und fragt stattdessen, ob die Art und Weise, wie ein System zerfällt, genutzt werden kann, um spezifische Quantenressourcen auszuwählen – wodurch eine potenzielle Schwäche in einen Mechanismus zur Kontrolle verwandelt wird.

Diese Idee wird in einer aktuellen Studie an einem System getestet, bei dem ein einzelnes Atom gefangen und von einem starken Laser angetrieben wird, während es gleichzeitig mit Licht interagiert, das in einem Resonator (Cavity) eingeschlossen ist, sowie mit der eigenen Bewegung des Atoms. Die Forscher schufen ein Szenario, in dem das Atom, das Licht und die Bewegung eng miteinander verknüpft sind und ein sogenanntes tripartites System bilden. Unter normalen Umständen tritt ein solches System, wenn es stark angetrieben wird, in ein Regime ein, in dem sich die Energieniveaus des Atoms aufspalten und neu anordnen, was eine komplexe Struktur schafft, die die gleichzeitige Erzeugung von Paaren aus Lichtteilchen und Bewegungsteilchen ermöglicht. Das Team wollte wissen, ob die Symmetrie des Energieverlusts aus diesen beiden Kanälen – dem aus dem Resonator austretenden Licht und der Dämpfung der Bewegung – bestimmen kann, was das System tatsächlich verlässt. Sie fanden heraus, dass die Antwort ein definitives Ja ist. Durch die einfache Anpassung des Gleichgewichts zwischen der Geschwindigkeit, mit der das Licht entweicht, und der Geschwindigkeit, mit der die Bewegung abklingt, konnten sie den Output des Systems von einem Typ quantenzustands zu einem völlig anderen umschalten, ohne den Laser oder das Atom selbst zu verändern.

Die Forscher simulierten einen Aufbau, bei dem ein Zwei-Niveau-Atom, das eine vereinfachte Version eines Erdalkalimetallatoms darstellt, in einer Falle eingeschlossen und an einen Hochqualitäts-Optik-Resonator gekoppelt war. Sie trieben dieses System mit einem starken Laserfeld an, was dazu führte, dass das Atom oszillierte und mit dem Licht sowie seiner eigenen Bewegung interagierte. In dieser Umgebung neigt das System natürlich dazu, korrelierte Paare von Photonen (Lichtteilchen) und Phononen (Teilchen der Bewegung oder Vibration) zu erzeugen. Wenn die Forscher das System so einstellten, dass Licht und Bewegung mit der gleichen Rate aus dem System austraten, verhielt sich das System wie erwartet für einen symmetrischen Aufbau. Es emittierte diese Licht- und Bewegungsteilchen gemeinsam in eng verknüpften Paaren. Diese Paare konnten einzelne Einheiten oder Gruppen mehrerer Einheiten sein, aber sie behielten immer eine starke Verbindung bei, wobei Licht und Bewegung synchron blieben, während sie das System verließen. Dies bestätigte, dass das System bei ausgewogenen Verlustkanälen die hybride Natur der von ihm erzeugten Anregungen bewahrt.

Doch die Geschichte änderte sich dramatisch, als die Forscher diese Symmetrie brachen. Sie simulierten eine Situation, in der das Licht viel schneller aus dem Resonator entwich als die Bewegung abklang. In diesem asymmetrischen Regime änderte sich das Verhalten des Systems grundlegend. Da das Licht so schnell entwich, hatte es keine Zeit darauf zu warten, dass die Bewegung aufholte. Anstatt verknüpfte Paare zu emittieren, begann das System, die Lichtteilchen in distinkten, reinen Bündeln freizusetzen, während die Bewegungsteilchen im Inneren verblieben und in höheren Energiezuständen akkumulierten. Die Forscher beobachteten, dass sie durch Erhöhung des Verhältnisses von Lichtverlust zu Bewegungsverlust den Output von korrelierten Paaren in hochreine Einzelphotonen oder Gruppen von zwei Photonen transformieren konnten. Die Bewegung, die nicht mit der gleichen Geschwindigkeit entweichen konnte, fungierte als Speicherbehälter, der die Energie zurückhielt, während das Licht schnell herausgefiltert und freigesetzt wurde. Dies demonstrierte, dass die Symmetrie der Dissipation als Schalter fungiert, der entscheidet, ob das System einen hybriden Mix aus Licht und Bewegung oder einen reinen Lichtstrom emittiert.

Um zu verstehen, wie diese Auswahl geschah, untersuchten die Forscher das Timing und die Statistik der Emissionen. Sie maßen, wie die Teilchen über die Zeit eintrafen, und fanden, dass im symmetrischen Fall Licht und Bewegung gemeinsam in korrelierten Gruppen eintrafen. Im asymmetrischen Fall kam das Licht in Bursts an, die deutlich voneinander getrennt waren, was zeigte, dass das System zu der Emission reiner Lichtbündel gewechselt hatte. Sie untersuchten auch den internen Zustand des Systems mithilfe mathematischer Werkzeuge, die die Wahrscheinlichkeit abbilden, Teilchen in bestimmten Zuständen zu finden. Diese Karten zeigten, dass das System im symmetrischen Fall eine nicht-klassische Verbindung zwischen Licht und Bewegung aufrechterhielt. Im asymmetrischen Fall wurde diese Verbindung für das Licht unterbrochen, wodurch es zu einem reinen Quantenzustand wurde, während die Bewegung in einem komplexen, gespeicherten Zustand verblieb. Der Übergang war sanft und steuerbar, was es den Forschern ermöglichte, das System allein durch Änderung der Verlustraten von einem Regime in das andere zu regeln.

Die Studie hebt eine klare Arbeitsteilung in offenen Quantensystemen hervor. Die kohärenten Wechselwirkungen, die durch den Laser angetrieben werden, schaffen das Potenzial für komplexe Quantenressourcen, wie etwa verschränkte Paare aus Licht und Bewegung. Aber es ist die Dissipation, die Art und Weise, wie ein System Energie verliert, die entscheidet, wie diese Ressourcen der Außenwelt tatsächlich zugeführt werden. Die Forscher zeigten, dass sie durch die Abstimmung der Dissipation das System so steuern konnten, dass es entweder hybride Zustände oder reine photonische Zustände emittiert. Dieser Befund legt nahe, dass Dissipation nicht bloß eine Quelle von Fehlern, sondern eine programmierbare Ressource ist. Dies eröffnet einen Weg zur Entwicklung von Quantenemitter, die „on the fly“ umgeschaltet werden können, um verschiedene Arten von nicht-klassischem Licht zu erzeugen, indem man einfach die Fähigkeit der Umgebung anpasst, Energie zu absorbieren. Dieser Ansatz könnte entscheidend für die Entwicklung von Quantennetzwerken und Sensoren sein, die spezifische Arten von Quantenzuständen erfordern, und bietet einen neuen Weg, Quantenverhalten durch das sorgfältige Management von Verlust zu technisch zu gestalten.