Вычитание фононов с помощью света сделало звук неклассическим

Физики продемонстрировали возможность вычитания одного и двух фононов из резонатора, унося их энергию с помощью лазерных фотонов. Исследование рассеянного света позволило им провести томографию механического состояния оставшихся фононов, что подтвердило их неклассическую статистику. Работа опубликована в Physical Review Letters.

С ростом числа частиц физическим системам свойственно переходить из квантового режима в режим классический. В каждом конкретном случае эта граница своя, и физики по всему миру ищут способы, чтобы сдвинуть ее как можно дальше. Венцом этого процесса стало бы наблюдение состояния квантовой суперпозиции макроскопического тела, кажущуюся абсурдность которой пытался подчеркнуть Шрёдингер с помощью своего знаменитого кота. На сегодняшний день физики добились такого эффекта для не слишком больших объектов, например, 10-микрометровых мембран.

Другим отклонением от классического поведения оказывается статистическое распределение по доступным степеням свободы физической системы. Речь идет, например, о числе фотонов или фононов. При переходе к большому числу частиц системы быстро термализуются, то есть неизбежно переходят в состояние, в котором статистика подчиняется распределению Гаусса. Если же удается добиться негауссовой статистики, то такое состояние оказывается неклассическим. В частном случае неклассическое состояние можно представить в виде квантовой суперпозиции классических состояний, что получило название состояний кота Шрёдингера.

Важным этапом на пути к созданию таких состояний стала возможность манипуляции отдельными фотонами или фононами, а также прогресс в области квантовой оптомеханики. Физики уже научились видеть вычитание и добавление одиночных квантов звука. И если раньше для этого нужны были низкие температуры, то недавно ученые смогли добиться этого при комнатной температуре и зафиксировать соответствующую негауссову статистику.

Группа физиков из Австралии и Великобритании при участии Майкла Вэннера (Michael Vanner) из Имперского колледжа Лондона пошла дальше и, увеличив точность квантовой томографии, пронаблюдала состояния, которые получаются при вычитании двух фононов. Авторы подтвердили, что, как и в случае вычитания одиночного фонона, среднее число частиц в таких состояниях испытывает контринтуитивное умножение. Если для одиночного вычитания оно удваивается, то для двойного вычитания — утраивается.

Чтобы сделать это, физики создавали два оптических резонатора из фторида бария с модами шепчущей галереи в непосредственной близости относительно друг друга. Резонаторы были настроены на частоту лазера, но немного отличались так, чтобы разница между энергиями запасенных ими фотонов равнялась энергии возбужденных в образце фононов. Это давало авторам возможность фиксировать увеличение и уменьшение числа фононов на единицу, наблюдая за стоксовым и антистоксовым обменом энергией между резонаторами с помощью детектирования соответствующих одиночных фотонов, попадающих на лавинный детектор.

Помимо управляющей функции, лазерное излучение, провзаимодействовавшее с фононами, несло информацию об их статистике. Для томографии механического состояния такие фотоны через дополнительный волновод передавались на балансный гетеродинный детектор. Сигнал с лавинного детектора запускал в нем сравнение состояний фотонов с когерентными состояниями, что позволяло физикам извлекать функцию Вигнера, характеризующую статистику механический степеней свободы.  

Авторы настроили свою установку для вычитания одного и двух фононов и измерили соответствующие s-параметризованных функции Вигнера. Они убедились, что сразу после вычитания статистика фононов имеет существенно негауссовый характер, что выражается в кольцеподобном виде этих функций в фазовом пространстве. Радиус этих колец с хорошей точностью отражал удвоение и утроение среднего числа фононов, предсказываемое теорией.

Физики исследовали также зависимость вариации сигнала, нормированной на квантовый шум, от времени. Ее увеличение в момент детектирования сигнального фотона в два и три раза, соответственно, также было в хорошем соответствии с теорией. Авторы отмечают, что такое хорошее соответствие стало возможным благодаря увеличению эффективности томографии на целый порядок по сравнению с предыдущими работами. Они надеются, что их работа станет важным шагом к созданию оперативной памяти для квантовых компьютеров, а также поможет лучше понять переход от квантового к классическому в больших системах.

Современная физика дошла до предела, когда всего одна частица может вызвать существенный отклик среды. В качестве примера можно привести однофотонную поляритонную конденсацию, про которую мы недавно рассказывали.

Марат Хамадеев