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

In de kwantumwereld stuiteren licht en materie niet simpelweg van elkaar af; ze kunnen zo diep met elkaar verweven raken dat ze ophouden afzonderlijke entiteiten te zijn. Dit fenomeen wordt beschreven door een beroemd model genaamd het Jaynes–Cummings-model, dat fungeert als een blauwdruk voor hoe een enkel atoom interageert met een enkel deeltje licht, of foton. Wanneer zij aan elkaar koppelen, vormen zij nieuwe, hybride toestanden die bekend staan als 'dressed states' (geklede toestanden). Stel je deze voor als een ladder van energieniveaus, waarbij elke sport een specifieke combinatie van het atoom en het lichtveld vertegenwoordigt. Wetenschappers zijn al lang in staat om de eerste paar sporten van deze ladder te zien, maar naarmate ze hoger proberen te klimmen, wordt het uitzicht vertroebeld. De handeling van het schijnen van een fel licht op het systeem om het zichtbaar te maken, creëert vaak een verblindende schittering die de subtiele, complexe treden verderop de ladder aan het oog onttrekt.

Onderzoekers aan de University of Science and Technology of China hebben nu een manier gevonden om langs deze schittering te kijken. Door het licht dat het systeem exciteert te scheiden van de methode die wordt gebruikt om het te observeren, zijn zij erin geslaagd een rijke structuur van transities te identificeren die voorheen onzichtbaar waren. Hun werk onthult hoe deze hybride toestanden zich gedragen wanneer ze door sterke krachten worden voortgestuwd, waarbij een complex landschap van energiesprongen wordt blootgelegd dat stappen bevat die voorheen als verboden of te zwak om te zien werden beschouwd. Deze doorbraak biedt een helderder venster op de fundamentele regels die bepalen hoe licht en materie op de kleinste schaal met elkaar interageren.

Het experiment vond plaats in een circuit-kwantumelektrodynamica-opstelling, een platform waar een supergeleidend kunstmatig atoom, een transmon-qubit genoemd, gekoppeld is aan een microgolfcaviteit. In traditionele experimenten schijnen wetenschappers een microgolfsignaal in de caviteit om het systeem aan te drijven en meten zij vervolgens het signaal dat aan de andere kant naar buiten komt. Het probleem met deze aanpak is dat het sterke drijfsignaal een enorme achtergrondruis creëert, vergelijkbaar met het proberen te horen van een fluistering in een kamer waar een luide ventilator draait. Deze ruis overstemt de delicate signalen die afkomstig zijn van de hogere energietoestanden van het systeem. Om dit op te lossen, ontwierp het team een nieuwe aanpak waarbij het drijfsignaal en het meetsignaal via volledig verschillende kanalen lopen. Zij gebruikten een sterke microgolftoon om de caviteit aan te drijven, terwijl zij simultaan een aparte, onafhankelijke resonator gebruikten om de toestand van de qubit uit te lezen zonder deze te verstoren. Deze techniek, bekend als quantum-nondemolition readout (kwantum-niet-verstorende uitlezing), stelt hen in staat de bezetting van de qubit met hoge gevoeligheid te detecteren terwijl de caviteit sterk wordt aangedreven, waardoor de achtergrondruis effectief wordt verstild.

Met behulp van deze methode brachten de onderzoekers het energielandschap van het systeem met ongekende helderheid in kaart. Zij identificeerden een reeks scherpe, duidelijke pieken die overeenkomen met multifoton-transities, waarbij het systeem meerdere fotonen tegelijk absorbeert om van de ene dressed state naar een andere te springen. In het verleden werden deze transities vaak vervaagd tot een enkele, brede structuur of volledig verborgen door het drijfsignaal. De nieuwe techniek onthulde dat deze kenmerken in werkelijkheid transities zijn tussen toestanden die dezelfde symmetrie, of pariteit, delen. Bovendien detecteerde het team zelfs nog zwakkere transities tussen toestanden van tegengestelde symmetrie, die gewoonlijk onderdrukt worden en extreem moeilijk te observeren zijn. Deze bevindingen bevestigen dat het systeem niet slechts een eenvoudige twee-niveau-atoom is, maar een complexe, multi-level structuur waarbij thermische energie een cruciale rol speelt bij het bepopuleren van de startpunten voor deze transities.

De studie verkende ook wat er gebeurt wanneer de onderzoekers de frequentie van de qubit doelbewust ontstemmen ten opzichte van de caviteit. Door de frequentie van de qubit aan te passen met een magnetische flux, konden zij observeren hoe de energieniveaus verschoven en interageerden. Zij observeerden 'avoided crossings' (vermijdingskruisingen), waarbij energieniveaus elkaar naderen maar afstoten in plaats van elkaar te kruisen, een kenmerk van kwantuminteractie. Onder deze omstandigheden zagen zij transities die de tweede geëxciteerde toestand van de qubit involveren, een niveau dat gewoonlijk ver weg is van de hoofdactiviteit. De gegevens toonden aan dat de sterkte van deze transities verandert afhankelijk van de specifieke mix van de qubit en het foton in de dressed state. De onderzoekers waren in staat hun experimentele observaties perfect te matchen met theoretische berekeningen die rekening houden met de effecten van de meerdere energieniveaus van de qubit en de kleine, residuele verschillen in frequentie tussen de qubit en de caviteit.

Een van de meest significante aspecten van dit werk is de rol van temperatuur. Zelfs bij de extreem lage temperaturen van het experiment, nabij het absolute nulpunt, blijft er een kleine hoeveelheid thermische energie aanwezig. De onderzoekers ontdekten dat deze kleine thermische populatie essentieel is voor het zien van de transities die vanuit geëxciteerde toestanden beginnen. Zonder deze thermische "duw" zouden veel van de interessante kenmerken onzichtbaar blijven. Door hier rekening mee te houden, konden zij de brede banden van activiteit die nabij het centrum van hun spectrum worden gezien, verklaren als een verzameling overlappende transities die starten vanaf steeds hogere energieniveaus. Dit inzicht helpt de eerdere verwarring over de aard van deze kenmerken op te lossen, die eerder werden toegeschreven aan andere effecten zoals bistabiliteit of het doorbreken van de fotonblokkade.

Het vermogen om deze transities te resolveren opent een nieuw pad voor het bestuderen van sterk gedreven licht-materie interacties. De onderzoekers demonstreerden dat door de drive en de readout te scheiden, zij details konden zien die voorheen werden weggespoeld, inclusief transities waarbij meer dan zeven fotonen in één enkele sprong betrokken zijn. Dit niveau van detail maakt een nauwkeuriger begrip van de Jaynes–Cummings-ladder mogelijk. Het werk suggereert dat het, met verdere verbeteringen in meet snelheid en bandbreedte, mogelijk is om individuele kwantumsprongen in real-time te volgen, waarbij wordt bijgehouden hoe het systeem van de ene naar de andere toestand beweegt. Dit zou de microscopische dynamica van deze dressed states verbinden met grootschaligere verschijnselen, wat een dieper begrip biedt van hoe kwantumsystemen zich gedragen onder sterke drijvende krachten. De studie staat als een testament voor de kracht van het verfijnen van experimentele technieken om de lagen van complexiteit in kwantumsystemen af te pellen, waardoor een wereld van structuur wordt onthuld die er altijd al was, wachtend om gezien te worden.