Occupation-selective photon-pair interactions in a flux-pumped SQUID resonator

Nel mondo silenzioso e super-raffreddato del calcolo quantistico, gli scienziati guardano spesso alla luce intrappolata all'interno di minuscoli circuiti elettrici per memorizzare informazioni. Questi circuiti agiscono come stanze ad alta qualità dove i fotoni a microonde, le particelle di luce alle frequenze radio, possono rimbalzare per molto tempo senza scomparire. Poiché queste stanze sono così brave a trattenere l'energia, offrono uno spazio vastissimo per memorizzare dati complessi, molto più grande di quanto possano contenere i semplici interruttori a due stati. Tuttavia, per rendere utili questi dati, i ricercatori devono essere in grado di manipolarli con precisionza. Devono eseguire operazioni specifiche sulla luce senza disturbare il resto del sistema. Per anni, il modo standard per farlo si è basato sullo spostamento dell'altezza della nota luminosa in base al numero di particelle presenti, un po' come una corda di chitarra che cambia tono quando viene premuta. Ma questo metodo ha dei limiti; tratta la luce come un oggetto passivo che solo sposta la sua frequenza, piuttosto che come qualcosa che può cambiare attivamente la forza con cui interagisce con il resto della macchina.

Un team di ricercatori ha ora scoperto un modo per andare molto più a fondo, trovando un metodo in cui il numero di particelle in una parte del circuito controlla direttamente la forza con cui avviene una specifica interazione in un'altra parte, senza cambiare il numero di particelle nella prima. Immaginate un musicista che suona una nota su un pianoforte mentre un secondo musicista, seduto nelle vicinanze, tiene premuto un singolo tasto. In questa nuova configurazione, l'azione del secondo musicista non cambia solo l'altezza della prima nota; essa cambia effettivamente quanto forte o debole il primo musicista possa suonare un particolare accordo. Questo non è solo un sottile cambio di tono; è un cambiamento fondamentale nella forza della connessione tra i due. Utilizzando un particolare loop superconduttore chiamato SQUID, che funge da ponte regolabile per l'elettricità, i ricercatori hanno modellato un sistema in cui la presenza di fotoni in una modalità di "controllo" rimodella le stesse regole di ingaggio per una modalità di "segnale".

I ricercatori hanno analizzato un circuito in cui due diverse modalità di vibrazione elettrica condividono lo stesso ponte fisico. Hanno pompato questo ponte con un segnale magnetico ritmico, una tecnica nota come pompaggio di flusso (flux pumping), progettata per creare coppie di fotoni nella modalità di segnale. Di solito, quando gli scienziati vogliono controllare un tale processo, si affidano al fatto che la presenza di altre particelle sposti la frequenza dell'interazione. Se il controller ha zero particelle, il segnale risuona a una certa frequenza; se ne ha una, risuona a un'altra. Questo è un effetto ben noto chiamato spostamento cross-Kerr. Tuttavia, il team ha scoperto che questo spostamento di frequenza era solo metà della storia. Anche dopo aver calibrato attentamente il sistema in modo che il segnale fosse perfettamente in risonanza per ogni diverso numero di particelle del controller, la forza dell'interazione — la dimensione del divario tra i livelli di energia — cambiava comunque in base a quante particelle erano presenti nel controller.

Per comprendere questo, i ricercatori hanno dovuto esaminare la matematica pura del loop superconduttore, che si comporta come un'onda descrivibile da una funzione coseno. Quando hanno calcolato l'esatta probabilità di creare una coppia di fotoni nella modalità di segnale lasciando intatta la modalità di controllo, hanno scoperto che il conteggio delle particelle del controller appariva direttamente nella formula. Era come se il controller stesse sussurrando un segreto all'interazione, alterandone il volume senza mai pronunciare una parola. Questo effetto deriva dal fatto che le fluttuazioni quantistiche della modalità di controllo sono fisicamente presenti nello stesso elemento non lineare della modalità di segnale. Anche se non avviene alcuno scambio di energia tra loro durante la specifica transizione, la mera esistenza delle particelle del controller modifica il panorama attraverso il quale viaggia il segnale.

Il team ha verificato questa scoperta attraverso una combinazione di modellazione matematica avanzata e simulazioni numeriche ad alta precisione. Hanno confrontato le loro teorie semplificate con una simulazione completa e non espansa del circuito, che funge da riferimento perfetto. I risultati hanno mostrato che la forza dell'interazione variava significativamente tra i diversi stati possibili del controller. Ad esempio, quando il controller era vuoto, l'interazione aveva una determinata forza. Quando il controller conteneva una sola particella, la forza diminuiva sensibilmente. Questa variazione non era un effetto collaterale dello spostamento di frequenza; era una proprietà distinta e misurabile dell'interazione stessa. Mappando questi cambiamenti, i ricercatori hanno creato un paesaggio bidimensionale in cui sia l'altezza che il volume dell'interazione potevano essere controllati indipendentemente dallo stato del controller.

Questo controllo apre nuove possibilità per l'elaborazione dell'informazione quantistica. Poiché la forza dell'interazione dipende dallo stato del controller, i ricercatori potrebbero pilotare selettivamente una specifica transizione all'interno della modalità di segnale ignorando le altre. Hanno dimostrato che, regolando la frequenza di pompaggio in un punto specifico, potevano far passare il segnale da avere due particelle ad averne quattro, con alta precisiono, lasciando intatte altre potenziali transizioni. Questa selettività è cruciale per costruire memorie quantistiche complesse, dove è necessario indirizzare un singolo dato senza disturbare accidentalmente i propri vicini. I ricercatori hanno scoperto che potevano scambiare velocità con precisione: usando un pompaggio più debole, potevano rendere la selezione ancora più netta, sebbene l'operazione avrebbe richiesto più tempo.

Oltre alla semplice selezione, i ricercatori hanno esplorato cosa accade quando il controller è posto in una sovrapposizione quantistica, uno stato in cui detiene effettivamente due diversi numeri di particelle contemporaneamente. In questo scenario, la modalità di segnale non segue solo un percorso; ne segue due simultaneamente, ciascuno dettato da un diverso stato del controller. Poiché la forza dell'interazione e la risonanza sono diverse per ogni percorso, il segnale evolve in due modi distinti nello stesso momento. Ciò crea una profonda connessione, o entanglement, tra il controller e il segnale. I ricercatori hanno calcolato che questo processo potrebbe generare quasi un'unità intera di entanglement, una quantità significativa per i sistemi quantistici, collegando efficacemente lo stato del controller allo stato del segnale in un modo che non può essere descritto dalla fisica classica.

Inoltre, il team ha mostrato che questo meccanismo potrebbe essere utilizzato per creare stati quantistici altamente complessi e non standard. Quando il segnale viene pilotato in un settore specifico del controller, esso sale lungo una scala di livelli energetici in un modo che ne distorce la forma, creando regioni di probabilità negativa nella sua mappa quantistica. Queste regioni "negative" sono un segno distintivo di un comportamento veramente quantistico che non può essere imitato da semplici onde. I ricercatori hanno scoperto che, scegliendo lo stato del controller corretto, potevano forzare il segnale in questo regime altamente non classico, lasciando i segnali in altri stati del controller quasi completamente inalterati. Questa capacità di attivare dinamiche quantistiche complesse con un semplice interruttore dello stato del controller offre un potente nuovo strumento per la generazione di stati esotici necessari per l'avanzata correzione degli errori e il sensing quantistico.

Le scoperte non sono state solo teoriche; i ricercatori hanno fornito una chiara tabella di marcia su come questo possa essere costruito in un vero laboratorio. Hanno identificato le condizioni specifiche necessarie per isolare questo effetto dai segnali rumorosi che potrebbero interferire in un circuito reale. Garantendo che le frequenze di altre modalità indesiderate siano sufficientemente lontane dal segnale di pompaggio, l'interazione desiderata può essere resa chiaramente distinguibile. Il team ha confermato che i componenti necessari, come i loop superconduttori e la capacità di regolarli con campi magnetici, sono già disponibili nell'hardware moderno per il calcolo quantistico. Ciò significa che l'interazione controllata dall'occupazione non è un sogno lontano, ma una caratteristica che può essere ingegnerizzata nei dispositivi esistenti.

In definitiva, questo lavoro rivela un nuovo livello di controllo nel mondo quantistico. Dimostra che lo stato di una parte di un sistema può fare molto di più che limitarsi a spostare la frequenza di un'altra parte; può alterare fondamentalmente la forza della loro connessione. Questa scoperta va oltre l'idea del semplice sintonizzamento della frequenza e introduce un metodo in cui la natura stessa dell'interazione è condizionata dallo stato quantistico di un partner. Padroneggiando questa dinamica condizionale, gli scienziati possono costruire macchine quantistiche più precise, più selettive e più potenti, capaci di manipolare la luce in modi che prima erano ritenuti impossibili. La capacità di generare entanglement e stati quantistici complessi su richiesta, semplicemente preparando il controller nello stato corretto, segna un passo avanti significativo verso l'ingegneria pratica delle tecnologie quantistiche.