Взаимодействие света и материи может приобретать очень интересные формы. При определенных условиях частицы света, фотоны, могут влиять на перемещение атомов материи, ведь процесс излучения и поглощения фотонов сопровождается отдачей. Изучением такого рода взаимодействий занимается специальный подраздел физики: квантовая оптомеханика.

Исследование того, как и при каких условиях частицы материи взаимодействуют со светом, имеет большое количество практических применений. А в будущем этих применений может стать даже больше ― с учетом того, что человечество движется в сторону создания вычислительных приборов, построенных на взаимодействии фотонов, а не электронов, к примеру, оптических компьютеров.

«Представим себе цепочку атомов, которые помещены в окрестность оптического волновода, по которому могут распространяться фотоны. Каждый атом представляет собой двухуровневую систему, то есть у него есть два состояния, основное и возбужденное. Атом может переходить из одного состояния в другое за счет поглощения фотона или его излучения. Такие системы могут найти свое применение в активно развивающейся области квантовых вычислений», ― рассказывает студент Нового физтеха Университета ИТМО Денис Седов.

Нужна сильная связь

Однако, чтобы использовать подобные модели в создании реальных прототипов устройств, необходимо решить целый ряд фундаментальный проблем, в частности проблему сравнительно слабого взаимодействия света и атомов, которое не всегда позволяет эффективно управлять состоянием атомов с помощью световых частиц.

Пытаясь решить эту проблему, группа ученых Университета ИТМО создала теоретическую модель такой системы, в которой возможен режим сильной связи.

«Мы в своей работе представили оптомеханическую систему, в которой взаимодействие может быть сильным, ― объясняет Денис Седов, который является соавтором работы. ― Она представляет собой кольцевой волновод, в котором фотоны могут распространяться только по часовой стрелке. Над волноводом в оптических ловушках находятся атомы, которые не только взаимодействуют друг с другом посредством фотонов, но и совершают колебательные движения относительно их положений равновесия».

Подобные системы изучались и в прошлом, однако такая кольцевая однонаправленная геометрия волновода и полноценный квантовый учёт колебаний атомов был рассмотрен впервые, что позволило получить новые и необычные результаты.

Интересные последствия

В случае, когда над полностью киральным, или, проще говоря, однонаправленным волноводом расположены два атома, оказалось, что рассмотренная модель эквивалента известной и активно исследуемой в экспериментах квантовой модели Раби, которая описывает взаимодействие двухуровневой системы, помещенной в оптический резонатор (пара зеркал), с электромагнитным полем резонатора.

В этой модели имеется специальная Z2-симметрия: описывающие систему состояния могут быть разделены на два лагеря. Одни характеризуются четным числом возбуждений, другие — нечетным. Интересно, что данная симметрия математически аналогична поворотам фигуры на 180 градусов: пара подряд выполненных поворотов эквивалентна отсутствию вращения. В случае отсутствия киральности у волновода многие полученные свойства системы сохраняются, однако некиральность приводит к новым неизученным моделям, которые еще предстоит исследовать в будущем.

Другим важным результатом стало наличие Z3-симметрии в системе с тремя атомами.

«В простом случае Z3-симметрию можно представить как симметрию относительно поворотов на 120, 240 и 360 градусов: при таких вращениях система переходит сама в себя. В нашем случае симметрия имеет более сложную природу и описание, однако эффективно принцип тот же», ― рассказывает Денис Седов.

Также в системе наблюдается квантовый фазовый переход. Фазовый переход ― это своеобразное «превращение», при котором резко изменяются некоторые свойства системы, например, скачкообразное изменение плотности при таянии льда. Отличие квантового фазового перехода от классического в том, что первый происходит при температуре абсолютного нуля.

В рассмотренной модели, когда оптомеханическая связь, описывающая взаимодействие между фотонами и механическим движением атомов, достигает критического значения, происходит квантовый фазовый переход, сопровождаемый процессом самоорганизации атомов над волноводом. Этот процесс характеризуется тем, что из-за общения друг с другом с помощью фотонов у каждого из атомов появляется выделенное направление движения.

«В режиме сильной оптомеханической связи основным состоянием рассматриваемой системы является многокомпонентный “кот Шрёдингера”, т.е. суперпозиция (наложение) разных классических состояний движения атомов, — рассказывает сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО Валерий Козин. — Такого рода “коты” могут использоваться для устойчивых к ошибкам протоколам хранения и обработки квантовой информации».

Одной из основных проблем на пути создания устройств, способных хранить и обрабатывать квантовую информацию (квантовых компьютеров), является то, что квантовые состояния чрезвычайно хрупки и требуют изоляции от окружения, поэтому для практической реализации квантовых вычислений необходимо уметь хранить квантовую информацию так, чтобы она была устойчива к ошибкам. Именно для реализации устойчивых к ошибкам квантовых вычислений могут быть использованы многокомпонентные «коты Шрёдингера», возникающие естественным образом в предложенных системах.

Статья ученых опубликована в журнале Physical Review Letters.

Статья: D. D. Sedov, V. K. Kozin, and I. V. Iorsh. Chiral Waveguide Optomechanics: First Order Quantum Phase Transitions with Z3 Symmetry Breaking. Physical Review Letters, 2020/10.1103/PhysRevLett.125.263606