量子能量交换:探索光场和量子发射器

实验过程中能量交换的图示。来源:N. Belabas/ I. Maillette de Buy Wenniger/ A. auff / P. Senellart《物理评论快报》上的一项新研究阐明了二部量子系统中能量交换的复杂性，为量子相干性、纯减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，粒子的行为和能量传递是由概率分布和波函数控制的，这给能量交换的理解增加了复杂性。

量子系统中能量交换的探索本质上涉及处理量子退相干和量子系统运行的尺度所引起的复杂性，引入灵敏度。尽管存在这些挑战，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。

研究人员的目标是弥合量子光学和热力学理论预测与实验观察之间的差距。通过探索二部量子系统中的能量交换，该研究努力为理解其中复杂的动力学提供一个全面的框架。“从我的博士学位和我的学术之旅开始，我已经建立了实验量子光学的背景，当我转向理论时，我一直保持着这一背景。十年前，我开始研究量子热力学，从那时起，我就一直致力于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访问研究教授、该研究的合著者Alexia auff教授告诉Phys.org。

单一能量和相关能量

双部系统是指由两个独立的实体或子系统组成的量子系统，通常表现为纠缠和量子叠加。这些系统内的能量交换，如研究中所研究的，提供了对量子动力学的见解。用该研究背后的理论家auff教授的话来说，“当两个量子系统耦合但在其他方面是孤立的，它们可以通过两种方式交换能量:要么通过相互施加力，要么通过纠缠。我们分别将这些能量交换称为“单一性”和“相关性”。"

这一区别突出了二部系统中能量相互作用的双重性质，包括涉及力的单一能量和由纠缠产生的相关能。理解这些系统中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，二部系统是量子门和算法操作的重要组成部分，是新兴量子技术的基础。

auff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，其次是通过分束器耦合的两个光场之间的能量交换。”

第一部分: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，以量子点为代表。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，因为像原子一样，它具有离散的能级。量子点被放置在一个空的电磁模式中，这意味着没有电磁场的干扰或相互作用。auff教授解释说:“我的团队以前获得的理论结果预测，转移到真空场的单位能量的数量应该与量子比特的初始量子相干性成正比。”简单地说，当量子比特最初是在基态和激发态的相等叠加状态下制备时，向真空场的单位能量转移是最大的。

在这种情况下，传递的单位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，那么只有相关能被转移到场中。这种对量子比特初始量子态的依赖凸显了量子系统中能量转移的复杂本质。第一部分的结果正是研究人员所期望的。正如auffires教授所强调的，“论文中报告的实验完美地满足了我们的期望。它们包括一个量子比特，一个量子点耦合到一个泄漏的半导体微腔。"

“场接收到的单一能量，即锁定在发射场的相干分量中的能量，是使用纯差装置测量的。实验控制的水平是这样的，即统一能量几乎达到理论界限，无论量子点的初始状态是什么。"

这意味着该团队可以准确地测量和理解在这个过程中量子场是如何交换能量的。第二部分:耦合两个光场

在第二部分，研究人员检查了发射光场和参考相干场之间的能量交换。这两个场通过分束器进行了复杂的耦合，分束器是量子光学中常用的一种设备，用于控制光束的路径。这项研究涉及一个量子系统，让人想起线性光子量子计算，通过分束器结合光场的干涉。“与第一个案例不同，这项研究是一个未知的领域。这引发了理论与实验之间令人兴奋的对话，将我们的统一能和相关能概念扩展到这个新情况，并研究新的行为和模式。”定量分析揭示了一个重要的发现:单一的能量转移被证明是依赖于发射场的纯度和相干性。这意味着光场的特性，特别是它的纯度和相干性，在决定单位能量交换的性质和大小方面起着至关重要的作用。

auff教授解释说:“在这两种情况下，我们发现光场接收的单位能量(分别为相关能)等于该场的相干分量(分别为非相干分量)的能量变化。”量子应用及超越

auff教授说:“我们在这篇论文中建立的框架可以在未来光子量子计算的能量分析中发挥关键作用。”理解能量和熵交换对于增强纠缠产生和量子门等过程至关重要。正如研究中所揭示的那样，在更高温度下管理纯脱相对于实现量子门所需的有效的单一能量交换至关重要。

谈到未来的研究，auffires教授希望通过使用能量和熵的工具来探索量子光学来关注事物的基本方面。

“例如，通过提取不可逆性的光学特征，或者反过来，用有价值的能量数字检测场的量子。在实际应用方面，评估单一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将是很重要的。”