Добавление и вычитание одиночного фонона увидели при комнатной температуре

Американские физики смогли зафиксировать процесс добавления и вычитания одиночного фонона из механического резонатора при комнатной температуре. Это было сделано с помощью измерения характеристик рассеянного на нем лазерного излучения. Эксперимент подтвердил, что состояния, отличающиеся от равновесных на один фонон, оказываются неклассическими даже в нормальных условиях. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Механические движения рассматриваются в квантовых технологиях в качестве источника квантовых состояний наряду электронными, фотонными и другими степенями свободы. Речь идет в первую очередь о квантованном движении частиц в оптических и магнитных ловушках, колебаниях и вращениях молекул, а также о возбуждении в резонаторах квантованных механических волн, которые описываются с помощью фононов.

Свет — наиболее удобный инструмент для манипуляции механическими степенями свободы. При переходе оптомеханики в квантовый режим одиночные фотоны начинают играть ощутимую роль. Например, воздействие одиночного фотона на механический резонатор способно сделать его статистические характеристики существенно неклассическими. Такие эффекты как правило наблюдаются при низких температурах, чтобы повысить чувствительность эксперимента.

Амир Сафави-Наейни (Amir Safavi-Naeini) с коллегами из Стэнфордского университета решили выйти за рамки этого ограничения и провести эксперимент, в котором они бы смогли зафиксировать добавление и вычитание одиночных фононов за счет взаимодействия со светом при комнатной температуре. Прямое измерение этого эффекта затруднено в силу большого числа фононов (для резонатора, использованного в статье, их число составляло чуть более полутора тысяч), поэтому авторы исследовали статистические свойства фотонов, рассеянных на них.

Рассеиваясь на фононах, свет может увеличивать (уменьшать) их число, при этом его энергия будет уменьшаться (увеличиваться) на величину, равную энергии фонона. Этот процесс аналогичен комбинационному рассеянию в молекулах, где свет уносит (добавляет) энергию их колебаний и вращений. В случае же, когда число фотонов не меняется, рассеяний свет несет информацию о статистических свойствах фононного ансамбля.

Физики использовали оба этих явления в своем эксперименте. Они подавали излучение лазера, слегка отстроенное от частоты оптомеханического резонатора: выше по частоте, чтобы добавить фотон, и ниже — чтобы вычесть. Рассеянное излучение разделялось на две части: одна из них использовалась для того, чтобы фиксировать присутствие в пучке одиночного фотона с резонансной частотой, вторая отправлялась на гетеродинный балансный детектор, измерявший функцию Вигнера света, несущую информацию о свойствах фононов. Когда физики игнорировали сигнал с однофотонного источника, статистика фотонов была равновесной (гауссовой). При учете же только тех данных балансного детектора, которые следовали за щелчком однофотонного детектора в течение двух микросекунд, статистика свидетельствовала о добавлении или исключении одного фонона.

Исследователи измеряли среднее число фононов для равновесного и неравновесного распределений. В частности, для случая добавления фонона эти числа оказались равны 1597,6±0,6 и 3158,1±0,9 соответственно. Их отличие в два раза кажется парадоксальным, однако хорошо объясняется теорией. Дело в том, что в случае срабатывания однофотонного детектора в распределении должна быть учтена вероятность рассеяния фотона на фононах, которая пропорциональна их числу. Это приводит к удвоенному отношению средних, что и наблюдалось в эксперименте с высокой точностью.

В заключении авторы отмечают, что их работа подтверждает теоретические расчеты, которые предсказывали, что состояния ансамбля фононов, отличающиеся от равновесных на одну квазичастицу, могут быть неклассическими при любых температурах. Они надеются, что последующие исследования смогут превратить продемонстрированные состояния в полезный квантовый ресурс. В качестве примера физики приводят создание механических состояний, описываемых как состояние кота Шрёдингера.

Ученые регулярно создают такие системы, состоянием которых можно управлять с помощью всего лишь одного фотона. Недавно мы писали про то, как два атома возбудили одним фотоном и как однофотонную нелинейность реализовали при комнатной температуре.

Марат Хамадеев