Dissipation-selected photon-phonon pair and photon-bundle emission in a tripartite Mollow system

In de zoektocht naar het bouwen van de volgende generatie kwantumtechnologieën hebben wetenschappers energieverlies, of dissipatie, lang beschouwd als een vijand. In de delicate wereld van de kwantummechanica, waar deeltjes bestaan in fragiele superposities van toestanden, heeft elke interactie met de buitenwereld de neiging om informatie te verstoren en de eigenschappen die kwantumsystemen nuttig maken, te vernietigen. Decennialang was het doel om deze systemen perfect te isoleren, ze af te schermen van de ruis van het universum om hun speciale toestanden te behouden. Echter, een nieuw perspectief komt naar voren uit de studie van licht en materie. Onderzoekers beginnen te beseffen dat verlies niet alleen een overlast is die vermeden moet worden, maar een hulpmiddel dat kan worden afgestemd. Door zorgvuldig te controleren hoe een systeem energie lekt, is het mogelijk om de output van een kwantumapparaat te sturen, waarbij men precies bepaalt welk soort deeltje of toestand wordt vrijgegeven. Deze verschuiving in denken gaat verder dan simpelweg proberen verval te stoppen en vraagt in plaats daarvan of de manier waarop een systeem vervalt, gebruikt kan worden om specifieke kwantumbronnen te selecteren, waardoor een potentieel zwak punt wordt omgezet in een mechanisme voor controle.

Dit idee wordt getest in een recente studie betreffende een systeem waarbij een enkel atoom gevangen is en wordt aangestuurd door een sterke laser, terwijl het interageert met zowel licht gevangen in een holte (cavity) als met de eigen beweging van het atoom. De onderzoekers creëerden een scenario waarin het atoom, het licht en de beweging nauw met elkaar verbonden zijn, wat bekend staat als een tripartiet systeem. Onder normale omstandigheden, wanneer een dergelijk systeem hard wordt aangestuurd, betreedt het een regime waarin de energieniveaus van het atoom splitsen en zich herschikken, wat een complexe structuur creëert die de gelijktijdige creatie van paren lichtdeeltjes en bewegingsdeeltjes mogelijk maakt. Het team wilde weten of de symmetrie van het energieverlies uit deze twee kanalen — het licht dat uit de holte lekt en de demping van de beweging — kon bepalen wat er daadwerkelijk uit het systeem komt. Ze ontdekten dat het antwoord een definitief ja is. Door simpelweg de balans aan te passen tussen hoe snel het licht ontsnapt en hoe snel de beweging vertraagt, konden ze de output van het systeem schakelen van het ene type kwantumtoestand naar een totaal ander type, zonder de laser of het atoom zelf te veranderen.

De onderzoekers simuleerden een opstelling waarbij een twee-niveau atoom, die een vereenvoudigde versie van een alkali-aardmetaalatoom vertegenwoordigt, werd opgesloten in een val en gekoppeld aan een hoogwaardige optische holte. Ze stuurden dit systeem aan met een sterk laserveld, wat ervoor zorgde dat het atoom oscilleerde en interageerde met het licht en zijn eigen beweging. In deze omgeving heeft het systeem van nature de neiging om gecorreleerde paren fotonen, oftewel deeltjes van licht, en fononen, oftewel deeltjes van beweging of trilling, te genereren. Wanneer de onderzoekers het systeem zo instelden dat het licht en de beweging met dezelfde snelheid weglekten, gedroeg het systeem zich zoals verwacht voor een symmetrische opstelling. Het emitteerde deze licht- en bewegingsdeeltjes samen in nauw verbonden paren. Deze paren konden enkelvoudige eenheden of groepen van meerdere eenheden zijn, maar ze behielden altijd een sterke verbinding, waarbij het licht en de beweging synchroon bleven terwijl ze het systeem verlieten. Dit bevestigde dat wanneer de verlieskanalen in balans zijn, het systeem de hybride aard van de excitaties die het creëert, behoudt.

Echter, het verhaal veranderde drastisch toen de onderzoekers deze symmetrie doorbraken. Ze simuleerden een situatie waarin het licht veel sneller uit de holte lekte dan de beweging vertraagde. In dit asymmetrische regime veranderde het gedrag van het systeem fundamenteel. Omdat het licht zo snel ontsnapte, had het geen tijd om te wachten tot de beweging bijkwam. In plaats van verbonden paren uit te zenden, begon het systeem de lichtdeeltjes in afzonderlijke, pure bundels vrij te geven, terwijl de bewegingsdeeltjes binnen het systeem bleven en in hogere energietoestanden accumuleerden. De onderzoekers observeerden dat door de ratio van lichtverlies ten opzichte van bewegingsverlies te vergroten, zij de output konden transformeren van gecorreleerde paren naar hoogzuivere enkelvoudige fotonen of groepen van twee fotonen. De beweging, die niet met dezelfde snelheid kon ontsnappen, fungeerde als een opslagtank die de energie vasthield, terwijl het licht snel gefilterd en vrijgegeven werd. Dit toonde aan dat de symmetrie van dissipatie fungeert als een schakelaar, die bepaalt of het systeem een hybride mengsel van licht en beweging emitteert of een zuivere stroom van licht.

Om te begrijpen hoe deze selectie plaatsvond, keken de onderzoekers naar de timing en statistiek van de emissies. Ze maten hoe de deeltjes over de tijd arriveerden en vonden dat in het symmetrische geval het licht en de beweging samen in gecorreleerde groepen arriveerden. In het asymmetrische geval arriveerde het licht in bursts die duidelijk van elkaar gescheiden waren, wat aantoonde dat het systeem was overgeschakeld naar het uitzenden van zuivere lichtbundels. Ze onderzochten ook de interne toestand van het systeem met behulp van wiskundige instrumenten die de waarschijnlijkheid in kaart brengen van het vinden van deeltjes in specifieke toestanden. Deze kaarten toonden aan dat in het symmetrische geval het systeem een niet-klassieke verbinding tussen het licht en de beweging behield. In het asymmetrische geval werd deze verbinding voor het licht verbroken, waardoor het een zuivere kwantumtoestand werd, terwijl de beweging een complexe, opgeslagen toestand bleef. De overgang was vloeiend en controleerbaar, waardoor de onderzoekers het systeem van het ene naar het andere regime konden sturen door simpelweg de verliesratio's aan te passen.

De studie benadrukt een duidelijke taakverdeling in open kwantumsystemen. De coherente interacties, aangedreven door de laser, creëren de potentie voor complexe kwantumbronnen, zoals verstrengelde paren van licht en beweging. Maar het is de dissipatie, de manier waarop het systeem energie verliest, die bepaalt hoe deze bronnen daadwerkelijk aan de buitenwereld worden geleverd. De onderzoekers toonden aan dat door de dissipatie af te stemmen, zij het systeem konden sturen om ofwel hybride toestanden ofwel zuivere fotonische toestanden uit te zenden. Deze bevinding suggereert dat dissipatie niet louter een bron van fouten is, maar een programmeerbare bron. Het opent een pad naar het ontwerpen van kwantum-emittenten die "on the fly" kunnen worden geschakeld om verschillende soorten niet-klassiek licht te produceren, simpelweg door de capaciteit van de omgeving om energie te absorberen aan te passen. Deze benadering zou cruciaal kunnen zijn voor de ontwikkeling van kwantumnetwerken en sensoren die specifieke typen kwantumtoestanden vereisen, en biedt een nieuwe manier om kwantumgedrag te manipuleren door middel van het zorgvuldig beheren van verlies.