Pulsed coherent and squeezed driving of a spin-$S$ emitter as a deterministic source of Wigner-negative light

量子技術の領域において、光は単に部屋を照らすビームではなく、古典物理学では説明できない方法で情報を運ぶことができる繊細な道具です。量子コンピュータの構築や超精密測定といった多くの高度なアプリケーションのために、科学者たちは、明らかに奇妙な振る舞いをする光を必要としています。この振る舞いは、しばしばウィグナー分布と呼ばれる数学的なマップによって記述され、これは光の量子状態の地形図のような役割を果たします。このマップ上では、レーザーポインターのようなほとんどの普通の光は、滑らかで正の値を持つ丘のように見えます。しかし、最も有用な光の量子状態は、このマップ上に「負の」谷を持っています。これらの負の領域は、光が古典的な物体では不可能な方法で振る舞っている決定的な証拠であり、次世代のテクノロジーのためのリソースであることを示しています。課題は常に、いかにしてこれらの負の状態を確実に生成するかでした。歴史的に、科学者たちは運に頼らざるを得ず、光を生成した後に、それが成功したことを確認するための測定を期待するというプロセスをとってきましたが、これは遅く非効率なプロセスでした。

オークランド大学の研究チームは、この偶然への依存を回避する方法を見出しました。彼らは、詳細なコンピュータ・シミュレーションを通じて、これら価値ある負の状態の光を、決定論的かつ非常に効率的な方法で、オンデマンドで生成できることを実証しました。彼らのアプローチは、短く制御された光のパルスを、異なるエネルギー状態が存在し得る小さなエミッター（原子のような系）に照射することを含みます。パルスの形状と相互作用のタイミングを注意深く調整することで、エミッターから出てくる光を、ウィグナー・マップ上に深い負の谷を持つ状態へと強制的に変化させることができます。研究者たちは、この方法が、連続的で定常的な光の流れよりもはるかに大きなレベルの量子的奇妙さを持つ光を生み出すことを見出しました。彼らは、入射するパルスの強さと形状を調整することで、空間的にシフトされた単一光子に似た状態や、あるいは二つの異なるスクイーズド状態の重ね合わせに見える、よりエキゾチックな形態を含む、特定の高度に複雑な量子状態を作成できることを示しました。

研究は、オンまたはオフのいずれかを取れる基本的なスイッチのように機能する、単純な二準位系を調べるところから始まります。この系がコヒーレント光のパルスに当たったとき、研究者たちは、出てくる光が強い負の特徴を示すように調整できることを観察しました。彼らは、パルスが強くなるにつれて負の値が単純に、かつ一定に増加するのではなく、複雑なパターンで変動することを発見しました。パルスの幅とタイミングの完璧な組み合わせを見つけるための最適化手法を用いることで、彼らは変位した単一光子状態に非常に近い状態を生み出す特定のセットアップを特定しました。これは、望まない結果をフィルタリングする必要なく、量子コンピューティングの基本的な構成要素を信頼できる方法で作成できることを示唆しているため、重要な発見です。シミュレーションによれば、この最適な状態は、以前の定常駆動法を用いた実験で達成されたものよりも、量子性の度合いを示す指標である「負の体積」が大きいことが示されました。

研究者たちは、その後、調査をより複雑なエミッター、つまり単なるスイッチではなく、複数の設定を持つダイヤルのような、より多くのエネルギー準位を保持できる系へと拡大しました。彼らは、これらの高スピン系を光のパルスで駆動すると、さらに劇的な結果が得られることを見出しました。エミッターの複雑さを増すにつれて、出力される光の負の量は著しく増加しました。スピンが3/2の系では、負の体積は現在知られている他のどの決定論的な方法をも大きく上回るレベルに達しました。これらの新しい状態の形状は、複数の光子のパターンに似てきており、この技術が、特定の粒子数を持つ状態を決定論的に生成するために使用できる可能性を示唆しています。これは、現在達成することが非常に困難な能力です。

第二の調査ラインにおいて、チームは標準的なコヒーレント光のパルスをスクイーズド光のパルスに置き換えました。スクイーズド光は、一方の特性の不確定性を減少させる代わりに別の特性を増大させた特殊なタイプの光であり、精密測定のための強力なツールとなります。彼らが単純な二準位系をこれらのスクイーズド・パルスで駆動したとき、得られた光の状態は「シュレーディンガーの猫」状態、すなわち二つの異なる量子的な現実の重ね合わせのように見えました。これらの状態は、誤り訂正量子コンピューティングへの活用において高く評価されています。シミュレーションにより、パルス法はやはり定常状態の方法を凌駕し、より深い負の谷を持つ状態を生成することが明らかになりました。研究者たちは、スクイージングとパルスのタイミングを微調整してこの効果を最大化し、生成された状態が理論的なスクイーズド・キャット状態とほぼ同一になる「スイートスポット」を見つけ出しました。

おそらく最も驚くべき発見は、彼らがスクイーズド・パルスをスピン1のエミッター（三つのエネルギー準位を持つ系）に適用したときに起こりました。ここでは、物理学が独特な展開を見せました。スクイーズド光と三準位系の相互作用の結果、二光子成分がほぼ完全に消失した状態が生じました。出力される光において、ちょうど二つの光子が見つかる確率は抑制されましたが、他の光子数は残っていました。研究者が「二光子排除」と呼ぶこの現象は、量子マップの中に、GKP状態として知られる特定の量子誤り訂正コードに似た格子状のパターンを作り出します。これらの状態は、ノイズから情報を保護できるため、堅牢な量子コンピュータを構築するための「聖杯」と見なされています。シミュレーションは、このようにして生成された光が、これらの理想的なGKP状態と高い類似性を持っていることを示しており、それらを決定論的に生成するための新しい経路を提供しています。

研究全体を通じて、研究者たちは、これらの結果が、光源からエミッターを経て捕捉キャビティへと光が流れるカスケード系の厳密な数値シミュレーションによるものであることを強調しました。彼らは、光のパルスがエミッターとどのように相互作用し、パルスのタイミングが最終的な状態にどのように影響するかを注意深くモデル化しました。また、光が誤った方向に漏れ出したり、エミッターが光に対してわずかに調律が外れていたりするといった不完全性が、結果にどのような影響を与えるかについても調査しました。彼らの分析によれば、これらの不完全性は負の状態の質を低下させるものの、システムが適切に調整されている限り、核となる効果は堅牢に保たれることが示されました。研究は、連続駆動からパルス駆動へと移行し、異なる数のエネルギー準位を持つエミッターを利用することで、幅広い高度に非古典的な光の状態を生成できることを結論づけています。この研究は、決定論的なWigner負の光の源に対する理論的な設計図を提供し、この脆弱で強力な物質の状態を必要とする量子テクノロジーの実用化へと、この分野を近づけるものです。