Noise-robust distinguishability of collective coherence via Jensen–Shannon divergence in a cavity

In de uitgestrekte, zoemende wereld van de kwantumfysica zoeken wetenschappers vaak naar tekenen van orde die uit chaos voortkomt. Stel je een menigte mensen voor in een donkere kamer. Als elke persoon alleen handelt, is het lawaai dat zij maken slechts een willekeurige verzameling van individuele stemmen. Maar als ze naar elkaar beginnen te luisteren en in unisono beginnen te spreken, ontstaat er een krachtig, collectief geluid. Deze verschuiving van individuele actie naar gesynchroniseerde eenheid is een fundamenteel concept in de natuurkunde, bekend als collectief gedrag. In de microscopische wereld kunnen atomen die gevangen zitten in een doos van licht iets dergelijks doen. Ze kunnen optreden als onafhankelijke emittenten, of ze kunnen zich vastleggen in een ritme, waarbij ze samen energie uitstralen in een uitbarsting van gecoördineerde pracht. Dit fenomeen, genaamd superradiantie, is een kenmerk van hoe kwantumsystemen zichzelf organiseren. Het is echter berucht moeilijk om deze overgang in een echt experiment op te merken. De signalen zijn vaak rommelig, en het verschil tussen een menigte individuen en een gesynchroniseerd koor kan verborgen liggen binnen dezelfde metingen, waardoor het moeilijk is te bepalen wanneer het ware moment van eenheid is gearriveerd.

Een team onderzoekers aan de Gachon Universiteit in Zuid-Korea heeft een nieuwe manier gevonden om deze verborgen overgang duidelijk te zien, zelfs wanneer de data ruis bevat. Ze concentreerden zich op een specifieke opstelling waarbij atomen gevangen zitten in een optische caviteit, een apparaat dat licht heen en weer laat stuiteren. In deze "slechte caviteit"-omgeving lekt het licht heel snel naar buiten, maar de atomen kunnen nog steeds een collectief geheugen van hun gesynchroniseerde staat bewaren. De onderzoekers realiseerden zich dat het simpelweg tellen van hoeveel fotonen, of lichtdeeltjes, worden uitgezonden, niet genoeg is. Een groot aantal fotonen zou kunnen komen van een paar atomen die samenwerken, of van veel atomen die alleen handelen. Om dit op te lossen, stopten ze met het kijken naar de totale helderheid en begonnen ze te kijken naar hoe die helderheid verandert wanneer je meer atomen aan het systeem toevoegt. Ze ontwikkelden een methode om de "schaalbaarheid" van het licht te meten. Als de atomen onafhankelijk handelen, neemt het toevoegen van meer van hen de lichtopbrengst op een gestage, voorspelbare manier toe. Maar als de atomen gesynchroniseerd zijn, zorgt het toevoegen van meer van hen ervoor dat de lichtopbrengst veel dramatischer toeneemt, groeiend met een andere, snellere snelheid.

Door dit verandering in groeisnelheid te volgen, ontdekten de onderzoekers een scherp, duidelijk signaal dat het exacte moment markeert waarop de atomen overgaan van alleen handelen naar samenhandelen. Ze noemden dit een collectieve respons-schaalbaarheid. In hun simulaties, die betrokken waren bij groepen van tot wel veertig atomen, zagen ze deze schaalfactor abrupt verschuiven. Wanneer de atomen ongecorreleerd waren, was de factor dicht bij één, wat duidt op een eenvoudige, additieve relatie. Terwijl ze het systeem afstemden naar het kritieke punt waar synchronisatie begint, sprong deze factor scherp richting twee, wat onthulde dat het licht nu werd aangedreven door een collectieve kracht. Deze sprong was zo duidelijk dat het fungeerde als een perfecte schakelaar, die de twee toestanden van materie van elkaar scheidde. De onderzoekers vergeleken deze nieuwe methode met oudere manieren om hetzelfde fenomeen te meten, zoals het kijken naar de totale lichtintensiteit of het berekenen van het deel van de atomen dat gesynchroniseerd is. Ze vonden dat die traditionele methoden de lijn tussen de twee toestanden vaak vervaagden, waarbij ze een vloeiende, geleidelijke verandering lieten zien die het moeilijk maakte om precies te bepalen wanneer de overgang plaatsvond.

Om te bewijzen dat hun nieuwe methode robuust was, testte het team deze tegen een realistische uitdaging: meetruis. In elk echt experiment hebben instrumenten een achtergrondgezoem of een "ruisvloer" die subtiele details kan maskeren. De onderzoekers simuleerden dit door een laag willekeurige statistische ruis aan hun data toe te voegen, vergelijkbaar met statische ruis op een radio. Ze ontdekten dat de traditionele metingen ononderscheidbaar werden onder deze ruis; de signalen voor de gesynchroniseerde en ongesynchroniseerde toestanden overlapten zo veel dat ze er identiek uitzagen. De nieuwe schaalbaarheidsmethode bleef echter scherp en duidelijk. Zelfs met de aanwezigheid van ruis stond de sprong in de schaalfactor duidelijk op zichzelf, waardoor de onderzoekers de overgang met een hoge mate van vertrouwen konden identificeren. Ze gebruikten een wiskundig hulpmiddel genaamd Jensen-Shannon divergentie om dit verschil te kwantificeren, wat in essentie meet hoe gemakkelijk het is om twee datasets van elkaar te onderscheiden. Voor de traditionele methoden daalde deze maatstaf naar nul, wat betekende dat de data ononderscheidbaar waren. Voor hun nieuwe schaalbaarheidsmethode bleef de maatstaf op zijn maximum, wat bewees dat het signaal van collectieve coherentie nog steeds perfect zichtbaar was.

De studie verbond deze observatie ook aan de fundamentele snelheid waarmee het systeem tot rust komt. In de natuurkunde vertraagt een systeem in de buurt van een kritieke overgang vaak, waarbij het een lange tijd nodig heeft om een stabiele toestand te bereiken. De onderzoekers ontdekten dat het moment waarop hun schaalfactor sprong, exact hetzelfde moment was waarop de relaxatietijd van het systeem het meest uitrekte. Dit bevestigde dat ze een werkelijke kritieke gebeurtenis observeerden, een punt waar het systeem zichzelf fundamenteel aan het reorganiseren is. Hun werk suggereert dat door simpelweg te kijken naar hoe de helderheid van het licht verandert wanneer je meer atomen toevoegt, wetenschappers de geboorte van collectief kwantumgedrag kunnen detecteren zonder complexe, microscopische metingen nodig te hebben die vaak onmogelijk uit te voeren zijn in een echt laboratorium. Deze aanpak biedt een praktische, ruisbestendige manier om te bestuderen hoe kwantumsystemen synchroniseren, wat een helderder venster biedt op de vreemde en prachtige wereld waarin individuele deeltjes leren om als één te bewegen.