Quantum-Nondemolition Probing of Multiphoton Transitions between Dressed States in a Strongly Driven Jaynes--Cummings System

Dans le monde quantique, la lumière et la matière ne se contentent pas de rebondir l'une sur l'autre ; elles peuvent s'entrelacer si profondément qu'elles cessent d'être des entités distinctes. Ce phénomène est décrit par un modèle célèbre appelé le modèle de Jaynes–Cummings, qui sert de schéma directeur pour expliquer comment un atome unique interagit avec une particle de lumière unique, ou photon. Lorsqu'ils se couplent, ils forment de nouveaux états hybrides appelés états habillés. Imaginez-les comme une échelle d'états d'énergie, où chaque barreau représente une combinaison spécifique de l'atome et du champ lumineux. Les scientifiques ont longtemps été capables de voir les premiers barreaux de cette échelle, mais en essayant de grimper plus haut, la vue devient obscurcie. L'acte même de projeter une lumière vive sur le système pour le rendre visible crée souvent un éblouissement qui cache les marches subtiles et complexes plus haut dans l'échelle.

Des chercheurs de l'Université de science et technologie de Chine ont maintenant trouvé un moyen de regarder au-delà de cet éblouissement. En séparant la lumière utilisée pour exciter le système de la méthode utilisée pour l'observer, ils ont réussi à résoudre une riche structure de transitions qui étaient auparavant invisibles. Leur travail révèle comment ces états hybrides se comportent lorsqu'ils sont poussés par des forces fortes, dévoilant un paysage complexe de sauts énergétiques qui inclut des étapes que l'on pensait auparavant interdites ou trop faibles pour être vues. Cette percée offre une fenêtre plus claire sur les règles fondamentales régissant la manière dont la lumière et la matière interagissent aux plus petites échelles.

L'expérience s'est déroulée dans une configuration de diélectrique quantique de circuit (circuit QED), une plateforme où un atome artificiel supraconducteur, connu sous le nom de qubit transmon, est couplé à une cavité micro-onde. Dans les expériences traditionnelles, les scientifiques projettent un signal micro-onde dans la cavité pour piloter le système, puis mesurent le signal qui sort de l'autre côté. Le problème avec cette approche est que le signal de pilotage fort crée un bruit de fond massif, un peu comme essayer d'entendre un chuchotement dans une pièce où un ventilateur bruyant est en marche. Ce bruit étouffe les signaux délicats provenant des états d'énergie plus élevés du système. Pour résoudre cela, l'équipe a conçu une nouvelle approche où le signal de pilotage et le signal de mesure voyagent par des canaux complètement différents. Ils ont utilisé un ton micro-onde puissant pour piloter la cavité, tout en utilisant simultanément un résonateur séparé et indépendant pour lire l'état du qubit sans le perturber. Cette technique, connue sous le nom de lecture de non-démolition quantique, leur permet de détecter l'occupation du qubit avec une grande sensibilité pendant que la cavité est fortement pilotée, neutralisant efficacement le bruit de fond.

En utilisant cette méthode, les chercheurs ont cartographié le paysage énergétique du système avec une clarté sans précédent. Ils ont identifié une série de pics nets et distincts qui correspondent à des transitions multiphotoniques, où le système absorbe plusieurs photons à la fois pour passer d'un état habillé à un autre. Par le passé, ces transitions étaient souvent confondues en une seule caractéristique large ou totalement cachées par le signal de pilotage. La nouvelle technique a révélé que ces caractéristiques sont en réalité des transitions entre des états partageant la même symétrie, ou parité. De plus, l'équipe a détecté des transitions encore plus faibles entre des états de symétrie opposée, qui sont habituellement supprimées et extrêmement difficiles à observer. Ces découvertes confirment que le système n'est pas seulement un simple atome à deux niveaux, mais une structure complexe à plusieurs niveaux où l'énergie thermique joue un rôle crucial dans la population des points de départ de ces transitions.

L'étude a également exploré ce qui se passe lorsque les chercheurs désaccordent délibérément la fréquence du qubit de celle de la cavité. En ajustant la fréquence du qubit avec un flux magnétique, ils ont pu observer comment les niveaux d'énergie se déplaçaient et interagissaient. Ils ont observé des croisements évités, où les niveaux d'énergie s'approchent l'un de l'autre mais se repoussent plutôt que de se croiser, une caractéristique de l'interaction quantique. Dans ces conditions, ils ont vu des transitions impliquant le deuxième état excité du qubit, un niveau qui est habituellement loin de l'action principale. Les données ont montré que la force de ces transitions change en fonction du mélange spécifique du qubit et du photon dans l'état habillé. Les chercheurs ont été capables de faire correspondre parfaitement leurs observations expérimentales avec les calculs théoriques incluant les effets des multiples niveaux d'énergie du qubit et les petites différences résiduelles de fréquence entre le qubit et la cavité.

L'un des aspects les plus significatifs de ce travail est le rôle de la température. Même aux températures extrêmement basses de l'expérience, proches du zéro absolu, une infime quantité d'énergie thermique subsiste. Les chercheurs ont découvert que cette petite population thermique est essentielle pour voir les transitions qui partent des états excités. Sans ce « coup de pied » thermique, de nombreuses caractéristiques intéressantes resteraient invisibles. En tenant compte de cela, ils ont pu expliquer les larges bandes d'activité observées près du centre de leur spectre comme une collection de transitions se chevauchant, partant de niveaux d'énergie de plus en plus élevés. Cette compréhension aide à résoudre la confusion précédente concernant la nature de ces caractéristiques, qui avaient été attribuées à d'autres effets tels que la bistabilité ou la rupture du blocage de photons.

La capacité de résoudre ces transitions ouvre une nouvelle voie pour l'étude des interactions lumière-matière fortement pilotées. Les chercheurs ont démontré qu'en séparant le pilotage et la lecture, ils pouvaient voir des détails qui étaient auparavant effacés, y compris des transitions impliquant plus de sept photons en un seul saut. Ce niveau de détail permet une compréhension plus précise de l'échelle de Jaynes–Cummings. Le travail suggère qu'avec de nouvelles améliorations de la vitesse et de la bande passante de mesure, il pourrait être possible d'observer des sauts quantiques individuels en temps réel, en suivant comment le système passe d'un état à un autre. Cela permettrait de relier la dynamique microscopique de ces états habillés à des phénomènes à plus grande échelle, offrant une compréhension plus profonde de la manière dont les systèmes quantiques se comportent sous des forces de pilotage fortes. Cette étude témoigne de la puissance du raffinement des techniques expérimentales pour lever les couches de complexité des systèmes quantiques, révélant un monde de structures qui était toujours là, attendant simplement d'être vu.