Generating spatially separated correlated multiphoton states in nonlinear waveguide quantum electrodynamics

Nel mondo della tecnologia quantistica, gli scienziati cercano costantemente modi per far comportare la luce in modi che la natura normalmente non permette. La luce, composta da particelle chiamate fotoni, tipicamente viaggia attraverso lo spazio senza interagire con altri fotoni; essi si attraversano l'un l'altro come fantasmi. Per costruire computer quantistici potenti o sensori ultra-precisi, i ricercatori hanno bisogno che i fotoni si uniscano, formando gruppi complessi e correlati che trasportano informazioni in modi impossibili per le singole particelle. La sfida è stata che le forze necessarie per far interagire queste particelle sono incredibilmente deboli nella maggior parte dei materiali. Per anni, l'approccio standard ha previsto l'uso di minuscoli atomi artificiali per costringere i fotoni a collidere, ma questo metodo spesso faticava a creare grandi gruppi di particelle in modo efficiente o a separarli una volta formati.

Un team di ricercatori ha ora proposto una nuova architettura che supera questi ostacoli ribaltando le solite regole dell'interazione luce-materia. Inve vestire di far collidere direttamente i fotoni, hanno progettato un sistema in cui un singolo fotone entra in una guida d'onda specializzata e viene trasformato in una coppia di fotoni legati, che poi si trasforma in un trio, e così via. Questo processo si basa su un astuto trucco che coinvolge gli "atomi giganti": atomi artificiali che si collegano alla guida d'onda in più punti anz che in uno solo. Regolando attentamente queste connessioni, i ricercatori hanno dimostrato, attraverso simulazioni dettagliate, che è possibile convertire un singolo fotone in un flusso di gruppi di fotoni correlati, ciascuno dei quali si muove a una velocità diversa. Ciò consente ai diversi gruppi di separarsi naturalmente nello spazio e nel tempo, creando un flusso programmabile e ordinato di stati quantistici pronti per l'uso in tecnologie avanzate.

Il cuore di questo lavoro risiede in una guida d'onda non lineare, un canale microscopico composto da una serie di cavità collegate. All'interno di ogni cavità, un materiale speciale crea una forte interazione tra i fotoni, rendendoli efficacementamente capaci di respingersi o attrarsi a seconda della configurazione. In questa specifica proposta, la guida d'onda è popolata da emettitori a due livelli eccitati, che sono essenzialmente atomi artificiali sintonizzati su una frequenza che non corrisponde alla luce in entrata. Nei setup tradizionali, se un atomo non è perfettamente sintonizzato con la luce, la ignora semplicemente. Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che posizionando questi emettitori in un intervallo di energia "proibito" specifico, potevano innescare un processo di scattering unico. Quando un singolo fotone colpisce uno di questi emettitori eccitati, non rimbalza o non viene assorbito nel modo usuale. Invece, l'energia del fotone e dell'atomo si combinano per creare una nuova, stabile coppia di fotoni che viaggiano insieme come un'unica unità. I ricercatori chiamano questa unità un "doublon".

Questa trasformazione è il primo passo di un processo multi-stadio. Una volta formato il doublon, esso continua lungo la guida d'onda finché non incontra un secondo emettitore eccitato. Poiché il doublon trasporta più energia di un singolo fotone, interagisce con questo secondo emettore per creare un gruppo ancora più grande: un trio di fotoni che viaggiano insieme, noto come "triplon". I ricercatori descrivono questo come un effetto a cascata, in cui il sistema agisce come un amplificatore del numero di fotoni, trasformando una particella in due, poi tre, e potenzialmente di più. Ciò che rende questo meccanismo particolarmente potente è il modo in cui gestisce la direzione del moto. In molti tentativi precedenti, la creazione di questi gruppi risultava in particelle che si disperdevano in tutte le direzioni, rendendole difficili da catturare. Qui, i ricercatori hanno introdotto il concetto di "atomo pseudo-gigante". Mentre l'emettitore fisico è un singolo punto, la descrizione matematica di come esso interagisce con le coppie di fotoni legati rivela che si comporta come se fosse connesso alla guida d'onda in molti punti diversi simultaneamente.

Utilizzando una vera configurazione di "atomo gigante" — dove un singolo emettitore è fisicamente connesso alla guida d'onda in più posizioni distinte — il team ha potuto controllare i pattern di interferenza della luce. Questo controllo permette di dirigere i nuovi gruppi di fotoni affinché si muovano in una sola direzione, sopprimendo qualsiasi scattering all'indietro. Nelle loro simulazioni, hanno dimostrato che con le impostazioni corrette, potevano convertire il 95% di un in entrata singolo fotone in un doublon che si muove in avanti. Quando hanno esteso questo processo a un secondo stadio per creare triplon, l'efficienza di conversione è rimasta alta, intorno al 90%. Questo livello di controllo è una significativa deviazione dai metodi precedenti, che spesso si affidavano allo scattering risonante dove l'atomo e la luce devono essere perfettamente corrispondenti in frequenza, una condizione difficile da mantenere e che spesso porta alla perdita di energia.

Forse la caratteristica più sorprendente di questo sistema è come ordina automaticamente i risultati. Poiché il singolo fotone, la coppia e il trio hanno tutte strutture interne diverse, essi viaggiano a velocità differenti. Mentre viaggiano lungo la guida d'onda, questa differenza di velocità fa sì che si separino naturalmente nello spazio. I ricercatori hanno scoperto che dopo una breve distanza, i tre distinti gruppi sarebbero completamente separati nello spazio, arrivando in tempi diversi. Ciò significa che il sistema produce un singolo output che è in realtà una sovrapposizione di tre diversi stati quantistici, ciascuno che occupa il proprio slot temporale. I ricercatori hanno dimostrato che regolando la forza delle connessioni tra l'atomo gigante e la guida d'onda, potevano programmare l'esatta miscela di questi stati, decidendo quanto dell'output debba essere costituito da singoli fotoni, quanto da coppie e quanto da trii.

Il documento sottolinea che questi risultati si basano su rigorose simulazioni numeriche utilizzando strumenti di meccanica quantistica consolidati, piuttosto che su esperimenti fisici condotti in laboratorio. I ricercatori hanno modellato il sistema utilizzando parametri che sono attualmente raggiungibili nei circuiti superconduttori, una piattaforma leader per il calcolo quantistico. Hanno calcolato che l'intero processo avrebbe avuto luogo in pochi microsecondi, ben entro i limiti temporali che l'attuale hardware quantistico può mantenere prima di perdere le sue delicate proprietà quantistiche. Le simulazioni hanno confermato che il sistema conserva l'energia e la probabilità, garantendo che il fotone in ingresso sia affidabilmente trasformato negli stati di output desiderati senza scomparire nel rumore. I ricercatori hanno inoltre notato che questo approccio evita la necessità di array complessi di molti emettitori per ottenere la separazione, affidandosi invece alle differenze intrinseche di velocità degli stati legati.

Questo lavoro suggerisce un nuovo percorso per generare risorse quantistiche complesse su richiesta. Creando questi gruppi di fotoni correlati e spazialmente separati, il sistema potrebbe servire come uno strumento versatile per la simulazione quantistica, dove gli scienziati mimano il comportamento di materiali complessi, o per la metrologia quantistica, che consiste nel compiere misurazioni estremamente precise. La capacità di generare "qubit volanti" che sono entangled non solo nel loro stato interno, ma anche nel loro tempo di arrivo e nel loro numero di fotoni, apre nuove possibilità per la codifica delle informazioni. I ricercatori propongono che questa architettura colmi il divario tra l'ottica non lineare e lo studio della fisica dei molti corpi, offrendo un modo scalabile per creare forme esotiche di materia fotonica. Sebbene il documento non sostenga di aver risolto tutte le sfide dell'ingegneria quantistica, fornisce un blueprint concreto e teoricamente fondato per generare stati multifotone che siano sia altamente correlati che facilmente separabili, una combinazione che è stata elusiva negli approcci precedenti.