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

Nel mondo quantistico, la luce e la materia non si limitano a rimbalzare l'una sull'altra; possono intrecciarsi così profondamente da cessare di essere entità separate. Questo fenomeno è descritto da un famoso modello chiamato modello di Jaynes–Cummings, che funge da schema per come un singolo atomo interagisce con una singola particella di luce, o fotone. Quando si accoppiano, formano nuovi stati ibridi noti come stati vestiti (dressed states). Immaginateli come una scala di livelli energetici, dove ogni piolo rappresenta una specifica combinazione dell'atomo e del campo luminoso. Gli scienziati sono da tempo in grado di vedere i primi pochi pioli di questa scala, ma man mano che cercano di scalarla più in alto, la vista diventa offuscata. L'atto stesso di proiettare una luce intensa sul sistema per renderlo visibile crea spesso un bagliore accecante che nasconde i passi sottili e complessi più in alto nella scala.

I ricercatori della University of Science and Technology of China hanno ora trovato un modo per guardare oltre questo bagliore. Separando la luce utilizzata per eccitare il sistema dal metodo utilizzato per osservarlo, sono riusciti a risolvere una ricca struttura di transizioni che prima erano invisibili. Il loro lavoro rivela come questi stati ibridi si comportano quando spinti da forze forti, svelando un complesso panorama di salti energetici che include gradini precedentemente ritenuti proibiti o troppo deboli per essere visti. Questa svolta offre una finestra più chiara sulle regole fondamentali che governano il modo in cui luce e materia interagiscono alle scale più piccole.

L'esperimento si è svolto in un setup di elettrodinamica quantistica dei circuiti, una piattaforma in cui un atomo artificiale superconduttore, noto come qubit transmon, è accoppiato a una cavità a microonde. Negli esperimenti tradizionali, gli scienziati inviano un segnale a microonde nella cavità per pilotare il sistema e poi misurano il segnale che esce dall'altro lato. Il problema di questo approccio è che il forte segnale di pilotaggio crea un enorme rumore di fondo, molto simile al tentativo di sentire un sussurro in una stanza dove è acceso un ventilatore rumoroso. Questo rumore annega i segoli delicati provenienti dai livelli energetici più alti del sistema. Per risolvere il problema, il team ha progettato un nuovo approccio in cui il segnale di pilotaggio e il segnale di misura viaggiano attraverso canali completamente diversi. Hanno utilizzato un tono a microonde forte per pilotare la cavità, mentre contemporaneamente utilizzavano un risonatore separato e indipendente per leggere lo stato del qubit senza disturbarlo. Questa tecnica, nota come lettura a non distruzione quantistica (quantum-nondemolition readout), permette loro di rilevare l'occupazione del qubit con alta sensibilità mentre la cavità viene fortemente pilotata, silenziando efficacemento il rumore di fondo.

Utilizzando questo metodo, i ricercatori hanno mappato il panorama energetico del sistema con una chiarezza senza precedenti. Hanno identificato una serie di picchi netti e distinti che corrispondono a transizioni multifotoniche, in cui il sistema assorbe più fotoni contemporaneamente per saltare da uno stato vestito all'altro. In passato, queste transizioni erano spesso confuse in un unico elemento ampio o nascoste interamente dal segnale di pilotaggio. La nuova tecnica ha rivelato che queste caratteristiche sono in realtà transizioni tra stati che condividono la stessa simmetria, o parità. Inoltre, il team ha rilevato persino transizioni ancora più deboli tra stati di simmetria opposta, che sono solitamente soppresse ed estremamente difficili da osservare. Queste scoperte confermano che il sistema non è solo un semplice atomo a due livelli, ma una struttura complessa a più livelli dove l'energia termica gioca un ruolo cruciale nel popolare i punti di partenza per queste transizioni.

Lo studio ha anche esplorato cosa accade quando i ricercatori sintonizzano deliberatamente fuori frequenza (detuning) la frequenza del qubit rispetto alla cavità. Regolando la frequenza del qubit tramite un flusso magnetico, sono stati in grado di osservare come i livelli di energia si spostassero e interagissero. Hanno osservato incroci evitati (avoided crossings), dove i livelli di energia si avvicinano ma si respingono invece di incrociarsi, un segno distintivo dell'interazione quantistica. In queste condizioni, hanno visto transizioni che coinvolgono il secondo stato eccitato del qubit, un livello che di solito si trova lontano dall'azione principale. I dati hanno mostrato che la forza di queste transizioni cambia a seconda della specifica miscela di qubit e fotone nello stato vestito. I ricercatori sono stati in grado di far corrispondere perfettamente le loro osservazioni sperimentali con i calcoli teorici che includevano gli effetti dei molteplici livelli energetici del qubit e le piccole differenze residue di frequenza tra il qubit e la cavità.

Uno degli aspetti più significativi di questo lavoro è il ruolo della temperatura. Anche alle temperature estremamente basse dell'esperimento, vicino allo zero assoluto, rimane una piccola quantità di energia termica. I ricercatori hanno scoperto che questa piccola popolazione termica è essenziale per vedere le transizioni che partono da stati eccitati. Senza questo "calcio" termico, molte delle caratteristiche interessanti rimarrebbero invisibili. Tenendo conto di ciò, sono stati in grado di spiegare le ampie bande di attività viste vicino al centro del loro spettro come una collezione di transizioni sovrapposte che partono da livelli di energia sempre più alti. Questa intuizione aiuta a risolvere la precedente confusione sulla natura di queste caratteristiche, che erano state attribuite ad altri effetti come la bistabilità o il breakdown del blocco di fotoni (photon blockade breakdown).

La capacità di risolvere queste transizioni apre una nuova strada per studiare le interazioni luce-materia fortemente pilotate. I ricercatori hanno dimostrato che, separando la guida e la lettura, potevano vedere dettagli che erano precedentemente stati cancellati, inclusi le transizioni che coinvolgono più di sette fotoni in un singolo salto. Questo livello di dettaglio permette una comprensione più precisa della scala di Jaynes–Cummings. Il lavoro suggerisce che, con ulteriori miglioramenti nella velocità di misurazione e nella larghezza di banda, potrebbe essere possibile osservare i singoli salti quantistici in tempo reale, tracciando come il sistema si muove da uno stato all'altro. Ciò collegherebbe la dinamica microscopica di questi stati vestiti a fenomeni su scala più ampia, fornendo una comprensione più profonda di come i sistemi quantistici si comportano sotto forti forze di pilotaggio. Lo studio è una testimonianza della potenza del raffinamento delle tecniche sperimentali per scrostare gli strati di complessità dei sistemi quantistici, rivelando un mondo di struttura che era sempre stato lì, solo in attesa di essere visto.