量子能量交换：探索光场和量子发射器
实验过程中发生的能量交换的图示。图片来源：N. Belabas/ I. Maillette de Buy Wenniger/ A. Auffèves/ P. Senellart。
《物理评论快报》（Physical Review Letters）上的一项新研究阐明了二分量子系统内能量交换的复杂性，为量子相干性、纯退相效应以及对未来量子技术的潜在影响提供了深刻的见解。
在量子系统中，粒子的行为和能量转移由概率分布和波函数控制，这为理解能量交换增加了复杂性。
对量子系统中能量交换的探索本质上涉及解决量子退相干和量子系统运行的尺度引起的复杂性，从而引入灵敏度。
尽管存在这些挑战，但研究量子系统中的能量交换对于推进量子技术和理解量子力学的基本方面至关重要。
研究人员旨在弥合量子光学和热力学理论预测与实验观察之间的差距。通过探索二分量子系统内的能量交换，该研究致力于为理解复杂的动力学提供一个全面的框架。
“从我的博士学位到我的学术之旅的开始，我已经建立了实验量子光学的背景，在转向理论时我保留了这些背景。十年前，我开始研究量子热力学，从那时起，我一直在研究弥合这两个领域之间的差距。这些结果代表了这些努力的美丽具体化，“新加坡量子技术中心的客座研究教授、该研究的合著者Alexia Auffèves教授告诉 。
酉能和相关能
二分系统是指由两个独立的实体或子系统组成的量子系统，通常表现出纠缠和量子叠加。这些系统内的能量交换，例如研究中研究的能量交换，提供了对量子动力学的见解。
用这项研究背后的理论家Auffèves教授的话来说，“当两个量子系统耦合但又是孤立的时，它们可以通过两种方式交换能量：要么相互施加力，要么纠缠在一起。我们分别将这些能量交换称为'单一'和'相关性'。
这种区别突出了二分系统内能量相互作用的双重性质，单一能量涉及力，相关能量由纠缠产生。
了解这些系统内的动力学对于推进量子力学和开发量子计算等应用至关重要。特别是，二分系统是量子门和算法操作的重要组成部分，为新兴量子技术奠定了基础。
Auffèves教授进一步阐述了研究重点，“我们已经从实验和理论上研究了这些能量交换，首先是量子比特和光场之间的能量交换，其次是分束器耦合的两个光场之间的能量交换。
第 1 部分：量子比特的自发发射
在研究的第一部分，研究人员专注于量子比特的自发发射，由量子点表示。量子点是具有量子力学特性的纳米级半导体。
它通常被称为人造原子，因为与原子一样，它具有离散的能级。量子点被放置在一个空电磁模式的储库中，这意味着没有来自电磁场的干扰或相互作用。
“我小组以前获得的理论结果预测，转移到真空场的酉能量应该与量子比特的初始量子相干性成正比，”Auffèves教授解释说。
简单来说，当量子比特最初在基态和激发态的相等叠加下制备时，酉能量向真空场的传递最大化。
在这种情况下，转移的单一能量等于量子比特释放的总能量的一半。相反，如果量子比特最初是反转的，则只有相关能量被转移到场中。这种对量子比特初始量子态的依赖性凸显了量子系统中能量转移的复杂性。
第一部分的结果正是研究人员所期望的。正如Auffèves教授所强调的那样，“论文中报告的实验完美地满足了我们的期望。它们涉及量子比特，量子点耦合到泄漏的半导体微腔。
“场接收到的酉能量，即锁定在发射场的相干分量中的能量，是使用零差设置测量的。实验控制的水平使得酉能量几乎达到理论极限，以量子点的初始状态为准。
这意味着该团队可以准确地测量和了解量子场在此过程中如何交换能量。
第 2 部分：耦合两个光场
在第二部分中，研究人员检查了发射光场和参考相干场之间的能量交换。两个场都使用分束器进行复杂耦合，分束器是量子光学中常用的用于操纵光束路径的装置。
该研究涉及一个让人联想到线性光子量子计算的量子系统，其中包含通过分束器的光场干扰。
“与第一种情况不同，这项研究是一个未知的领域。这引发了理论和实验之间的激动人心的对话，将我们的酉能和相关能的概念扩展到这种新情况，并研究新的行为和模式，“Auffèves教授说。
定量分析揭示了一个重要的发现：酉能量转移被证明取决于发射场的纯度和相干性。这意味着光场的特征，特别是其纯度和相干性，在确定单一能量交换的性质和大小方面起着至关重要的作用。
“在这两种情况下，我们发现光场接收到的酉能量（分别是相关能量）等于该场的相干分量（分别为非相干分量）的能量变化，”Auffèves教授解释说。
量子应用及其他
“我们在本文中开始建立的框架可能在光子量子计算的未来能量分析中发挥关键作用，”Auffèves教授说。
了解能量和熵交换对于增强纠缠生成和量子门等过程至关重要。正如研究所揭示的那样，在较高温度下管理纯退相对于实现量子门所需的高效酉能量交换至关重要。
说到未来的研究，Auffèves教授希望通过用高能和熵工具探索量子光学，从而专注于事物的基本方面。
“例如，通过提取不可逆性的光学特征，或者反过来，用高能品质因数检测场的量子性。在实践方面，重要的是要评估酉能量和相关能量的概念是否以及如何影响宏观、全栈量子技术的能源成本，“她总结道。
更多信息：I. Maillette de Buy Wenniger 等人，量子发射器和光场之间能量转移的实验分析，《物理评论快报》（2023 年）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.131.260401.
期刊信息： Physical Review Letters