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

In de wereld van de quantumtechnologie is licht niet slechts een straal die een kamer verlicht; het is een delicaat instrument dat in staat is informatie te dragen op manieren die de klassieke fysica niet kan verklaren. Voor veel geavanceerde toepassingen, zoals het bouwen van quantumcomputers of het maken van uiterst nauwkeurige metingen, hebben wetenschappers licht nodig dat zich op een uitgesproken vreemde manier gedraagt. Dit gedrag wordt vaak beschreven door een wiskundige kaart genaamd de Wigner-verdeling, die fungeert als een topografische kaart voor de quantumtoestand van het licht. Op deze kaart ziet de meeste gewone lichtbronnen, zoals die van een laserpointer, eruit als een gladde, positieve heuvel. Echter, de meest nuttige quantumtoestanden van licht bezitten "negatieve" dalen op deze kaart. Deze negatieve regio's zijn een definitief kenmerk dat het licht zich op een manier gedraagt die onmogelijk is voor klassieke objecten, wat het markeert als een hulpbron voor de volgende generatie technologie. De uitdaging is altijd geweest hoe men deze negatieve toestanden betrouwbaar kan creëren. Historisch gezien hebben wetenschappers moeten vertrouwen op geluk, waarbij ze het licht genereerden en dan hoopten dat een meting zou bevestigen dat het gewerkt had, een proces dat traag en inefficiënt is.

Een team van onderzoekers aan de Universiteit van Auckland heeft een manier gevonden om dit vertrouwen op toeval te omzeilen. Zij hebben aangetoond, door middel van gedetailleerde computersimulaties, dat zij deze waardevolle negatieve toestanden van licht op aanvraag kunnen genereren, met een methode die zowel deterministisch als zeer efficiënt is. Hun aanpak houdt in dat ze een korte, gecontroleerde lichtpuls afvuren op een minuscule emitter, een enkelvoudig atoomachtig systeem dat in verschillende energietoestanden kan bestaan. Door de puls en de timing van de interactie zorgvuldig vorm te geven, kunnen ze het licht dat de emitter verlaat dwingen om te transformeren in een toestand met diepe negatieve dalen op hun Wigner-kaart. De onderzoekers ontdekten dat deze methode licht produceert met een niveau van quantumvreemdheid dat veel groter is dan wat voorheen mogelijk was met continue, constante stromen van licht. Ze toonden aan dat door de sterkte en de vorm van de inkomende puls aan te passen, ze specifieke, zeer complexe quantumtoestanden konden creëren, waaronder toestanden die lijken op een enkel foton dat in de ruimte is verschoven, of zelfs meer exotische vormen die lijken op een superpositie van twee verschillende samengeperste (squeezed) toestanden.

De studie begint met het bekijken van een eenvoudig tweeniveausysteem, dat fungeert als een basis-schakelaar die ofwel aan of uit kan staan. Wanneer dit systeem wordt geraakt door een coherente lichtpuls, observeerden de onderzoekers dat het uitgaande licht afgestemd kon worden om sterke negatieve kenmerken te vertonen. Ze ontdekten dat de hoeveelheid negativiteit geen eenvoudige, constante toename is naarmate de puls sterker wordt; in plaats daarvan fluctueert het in een complex patroon. Door optimalisatietechnieken te gebruiken om de perfecte combinatie van pulsbreedte en timing te vinden, identificeerden ze een specifieke opstelling die een toestand produceert die zeer dicht bij een gedisplaceerde enkelvoudige-foton-toestand ligt. Dit is een belangrijke bevinding omdat het suggereert dat er een betrouwbare manier is om een fundamentele bouwsteen voor quantumcomputing te creëren zonder de noodzaak om ongewenste resultaten weg te filteren. De simulaties toonden aan dat deze optimale toestand een negatief volume heeft, een maatstaf voor hoeveel "quantumness" aanwezig is, die meer dan vijf keer groter is dan wat eerder werd bereikt in experimenten met constante sturende methoden.

De onderzoekers breidden hun onderzoek vervolgens uit naar complexere emitters, systemen die meer kunnen vasthouden dan alleen twee energieniveaus, vergelijkbaar met een draaiknop met meerdere instellingen in plaats van een eenvoudige schakelaar. Ze ontdekten dat het besturen van deze hogere spin-systemen met lichtpulsen nog meer dramatische resultaten opleverde. Naarmate ze de complexiteit van de emitter verhoogden, groeide de hoeveelheid negativiteit in het uitgaande licht aanzienlijk. Voor een systeem met een spin van drie-halve bereikte het negatieve volume niveaus die alle andere bekende deterministische methoden ver overstijgen. De vormen van deze nieuwe toestanden begonnen te lijken op patronen van meerdere fotonen, wat suggereert dat deze techniek gebruikt kan worden om deterministisch toestanden met specifieke aantallen deeltjes te genereren, een capaciteit die momenteel zeer moeilijk te bereiken is.

In een tweede lijn van onderzoek vervingen het team de standaard coherente lichtpulsen door pulsen van samengeperst (squeezed) licht. Samengeperst licht is een bijzonder type licht waarbij de onzekerheid in één eigenschap wordt verminderd ten koste van een andere, wat het een krachtig instrument maakt voor precisie. Wanneer ze het eenvoudige tweeniveausysteem bestuurden met deze samengeperste pulsen, zagen de resulterende lichttoestanden eruit als "Schrödingers kat"-toestanden, wat superposities zijn van twee verschillende quantumrealiteiten. Deze toestanden zijn zeer gewaardeerd vanwege hun potentieel voor het gebruik in foutgecorrigeerde quantumcomputing. De simulaties toonden aan dat de gepulseerde methode de steady-state methoden opnieuw overtrof door toestanden met veel diepere negatieve dalen te produceren. De onderzoekers waren in staat om de squeezing en de timing van de puls fijn af te stemmen om dit effect te maximaliseren, waarbij ze een ideaal punt vonden waar de gegenereerde toestand bijna identiek was aan een theoretische gesqueezed kat-toestand.

Misschien wel de meest verrassende ontdekking kwam toen ze samengeperste pulsen toepasten op een spin-één emitter, een systeem met drie energieniveaus. Hier nam de fysica een unieke wending. De interactie tussen het samengeperste licht en het drie-niveau systeem resulteerde in een toestand waarin de twee-foton component bijna volledig ontbrak. In het uitgaande licht werd de waarschijnlijkheid om exact twee fotonen te vinden onderdrukt, terwijl andere aantallen fotonen wel aanwezig bleven. Dit fenomeen, dat de onderzoekers "twee-foton exclusie" noemen, creëert een roosterachtig patroon in de quantumkaart dat doet denken aan een specifiek type quantumfoutcorrigerende code, bekend als een GKP-toestand. Deze toestanden worden beschouwd als de heilige graal voor het bouwen van robuuste quantumcomputers, omdat ze informatie kunnen beschermen tegen ruis. De simulaties toonden aan dat het op deze manier gegenereerde licht een hoge mate van gelijkenis vertoont met deze ideale GKP-toestanden, wat een potentiële nieuwe route biedt om ze deterministisch te creëren.

Gedurende hun werk benadrukten de onderzoekers dat deze resultaten voortkomen uit rigoureuze numerieke simulaties van een gekascadeerd systeem, waarbij licht van een bron door een emitter naar een opvangcaviteit stroomt. Ze modelleerden zorgvuldig hoe de lichtpulsen interageren met de emitter en hoe de timing van de pulsen de uiteindelijke toestand beïnvloedt. Ze verkenden ook hoe imperfecties, zoals licht dat de verkeerde kant op lekt of de emitter die net niet in fase is met het licht, de resultaten zouden beïnvloeden. Hun analyse toonde aan dat hoewel deze imperfecties de kwaliteit van de negatieve toestanden verminderen, het kerneffect robuust blijft zolang het systeem redelijk goed is afgestemd. De studie concludeert dat door over te stappen van continu besturen naar gepulseerd besturen, en door gebruik te maken van emitters met verschillende aantallen energieniveaus, het mogelijk is om een breed scala aan hoog niet-klassieke lichttoestanden te genereren. Dit werk biedt een theoretisch blauwdruk voor een deterministische bron van Wigner-negatief licht, waarmee het veld dichter bij de praktische realisatie van quantumtechnologieën komt die afhankelijk zijn van deze fragiele maar krachtige toestanden van materie.