Dissipation-selected photon-phonon pair and photon-bundle emission in a tripartite Mollow system
本文证明了通过调节三体马洛（Mollow）系统中玻色耗散通道的对称性，可以在发射强关联光子-声子对与纯光子束之间进行切换，从而将耗散对称性确立为一种用于工程化非经典量子态的可编程资源。
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在构建下一代量子技术的探索过程中，科学家们长期以来一直将能量损失（或耗散）视为一种敌人。在量子力学的精妙世界中，粒子以脆弱的叠加态存在，任何与外部环境的相互作用都倾向于扰乱信息并破坏使量子系统发挥作用的特性。几十年来，目标一直是完美地隔离这些系统，使其免受宇宙噪声的影响，以保护它们的特殊状态。然而，一种新的视角正从光与物质的研究中浮现。研究人员开始意识到，损失不仅是需要避免的麻烦，更是一种可以调节的工具。通过仔细控制系统泄漏能量的方式，或许可以引导量子器件的输出，决定释放出哪种类型的粒子或状态。这种思维方式的转变超越了单纯试图阻止衰减，转而探讨系统衰减的方式是否可以被用来选择特定的量子资源，从而将一个潜在的弱点转化为一种控制机制。
这一想法在一项最近的研究中得到了验证，该研究涉及一个被捕获并由强激光驱动的单原子系统，该原子同时与捕获在腔内的光以及原子自身的运动发生相互作用。研究人员创造了一个场景，其中原子、光和运动紧密结合，形成了一个被称为“三体系统”的结构。在正常情况下，当这样一个系统受到强力驱动时，它会进入一种状态，即原子的能级发生分裂和重组，产生一种复杂的结构，允许同时产生光粒子对和运动粒子对。团队想要了解，来自这两个通道（光从腔内泄漏以及运动阻尼下降）的能量损失对称性，是否能决定最终离开系统的物质。他们发现答案是肯定的。通过简单地调节光逃逸速度与运动减速速度之间的平衡，他们可以在不改变激光或原子的前提下，将系统的输出从一种类型的量子态切换到另一种完全不同的量子态。
研究人员模拟了一个设置，其中一个双能级原子（代表一种简化的碱土金属原子）被限制在陷阱中，并与高质量光学腔耦合。他们用强激光场驱动该系统，导致原子发生振荡，并与光及其自身的运动发生相互作用。在这种环境下，系统自然倾向于产生关联的光子对（光子的粒子）和声子对（运动或振动的粒子）。当研究人员将系统设置为光和运动以相同的速率泄漏时，系统表现出对称设置下的预期行为。它会成对地发射这些光和运动粒子，两者紧密相连。这些粒子对可以是单个单元或多个单元的组合，但它们始终保持着强烈的联系，即光和运动在离开系统时保持同步。这证实了当耗散通道平衡时，系统保留了其产生的混合激发态的特性。
然而，当研究人员打破这种对称性时，故事发生了戏剧性的变化。他们模拟了一种光从腔内泄漏速度远快于运动减速速度的情况。在这种非对称机制下，系统的行为发生了根本性的转变。由于光逃逸得非常快，它没有时间等待运动跟上。系统不再发射关联的粒子对，而是开始释放出离散且纯净的光束，而运动粒子则留在内部，在更高的能量状态中积累。研究人员观察到，通过增加光损失与运动损失的比率，他们可以将输出从关联对转变为高纯度的单光子或双光子群。由于运动无法以同样的速度逃逸，它充当了一个“储能罐”，在光被快速过滤并释放的同时，保留了能量。这表明，耗散的对称性起到了开关的作用，决定了系统是发射混合的“光-运动”态，还是发射纯净的光流。
为了理解这种选择是如何发生的，团队研究了发射的定时和统计特性。他们测量了粒子的到达时间，发现，在对称的情况下，光和运动是成对且关联地到达的。在非对称的情况下，光的到达呈现出与其他时刻截然不同的爆发式特征，表明系统已切换到发射纯净光束模式。他们还利用数学工具研究了系统的内部状态，这些工具可以描绘出发现特定状态粒子的概率分布图。这些图表显示，在对称情况下，系统在光和运动之间保持着非经典的关联；而在非对称情况下，这种关联对于光而言被打破了，光变成了一个纯量子态，而运动则保持在一个复杂的存储状态。这种转变是平滑且可控的，研究人员只需通过改变损失率，即可在不同机制之间进行拨号切换。
这项研究凸显了开放量子系统中明确的分工。由激光驱动的相干相互作用创造了产生复杂量子资源的潜力，例如纠缠的光-运动对。但耗散——即系统失去能量的方式——决定了这些资源如何交付到外部世界。研究人员展示了通过调节耗散，可以引导系统发射混合态或纯光子态。这一发现表明，耗散不仅仅是误差的来源，更是一种可编程的资源。它为设计能够“即时切换”以产生不同类型非经典光的量子发射器开辟了道路，方法仅仅是通过调整环境吸收能量的能力。这种方法对于开发需要特定类型量子态的量子网络和传感器至关重要，为通过精心管理损失来工程化量子行为提供了一种新途径。
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