Учёные наглядно демонстрируют наблюдение спиновых и плотностных мод в двухкомпонентной жидкости света.
Квантовая память на основе света
Более двух десятилетий физики работают над реализацией квантового хранения света, также известного как квантовая память, в различных системах вещества. Эти методы позволяют осуществлять контролируемое и обратимое преобразование световых частиц, называемых фотонами, в долгоживущие состояния материи. Однако хранение света в течение длительных периодов без ущерба для эффективности его извлечения — сложная задача.
Использование редкоземельных атомов
В последние годы редкоземельные атомы в твёрдых материалах при криогенных температурах показали многообещающие результаты для квантовой памяти. В рамках этого исследования учёные из Инженерного колледжа Грейнджера при Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне выявили благоприятные свойства в стохиометрическом материале на основе европия со слоистой структурой.
Их наблюдения, опубликованные в Physical Review Letters, описывают рост и характеристики NaEu(IO₃)₄ — редкоземельного материала, который может иметь значение для квантовой памяти в будущем.
Проблема хранения квантовой информации
Хотя классическая память, например, для хранения текстовых сообщений между пользователями, относительно проста в реализации, квантовая информация не может храниться, копироваться или сохраняться таким образом.
«Если я хочу отправить кому-то квантовую информацию или квантовый бит, я не могу сделать его копию или удержать локально», — сказала Элизабет Гольдшмидт, профессор физики и соавтор статьи. «Как только я отправлю его, он исчезнет. Если он потеряется по пути, он потерян навсегда».
Одним из способов решения этой проблемы является использование редкоземельных элементов, таких как европий, которые могут использоваться для долгосрочного хранения квантовой информации. Фотоны имеют тенденцию деградировать при длительном хранении, но европий может как поглощать, так и сохранять фотоны.
Стохиометрические кристаллы
Учёные могут легировать эти редкоземельные элементы в кристаллы для облегчения хранения квантового света. Однако стохиометрические — или нелегированные — кристаллы, как правило, имеют меньше дефектов из-за отсутствия преднамеренного легирования.
Инженеры из Иллинойса стремились упаковать кристалл как можно большим количеством европия, перейдя к стохиометрическим кристаллам, в которых европий является частью структуры, а не случайным легирующим элементом.
Исследовательская группа сосредоточилась на NaEu(IO₃)₄ — слоистом стохиометрическом кристалле, содержащем европий, который отличается стабильностью в окружающей среде и сильными связями, образующими двумерные слои.
Если бы можно было изолировать один слой NaEu(IO₃)₄, его можно было бы интегрировать с фотонным чипом — важный шаг к созданию хорошей квантовой памяти. Однако поведение атомов европия может меняться, когда они расположены слишком близко друг к другу, что потребовало тщательной характеристики этих свойств в новом материале. Дополнительным преимуществом материала было увеличенное время хранения.
«Миллисекундное или более длительное квантовое хранение позволяет нам сохранять квантовое состояние в течение времени, необходимого для связи с кем угодно в любой точке Земли», — сказала Гольдшмидт.
«Максимальное время, необходимое для связи в другом месте, составляет несколько десятков микросекунд или миллисекунд: до спутника и обратно или через оптическое волокно, огибающее Землю. Вот о каких временных рамках мы говорим».
Пока исследователи из Иллинойса продемонстрировали время хранения до 800 наносекунд. В дальнейшем они намерены продемонстрировать более длительное время хранения и выделить один слой своего стохиометрического материала в надежде однажды создать квантовую память.
Поведение света в неожиданных формах
Недавние физические исследования показали, что свет может иногда течь неожиданными путями, ведя себя как так называемый «сверхтекучий». Сверхтекучие вещества, такие как ультрахолодные атомные газы или гелий-4 при определённых температурах, представляют собой фазы материи, характеризующиеся поведением потока с нулевой вязкостью (то есть без сопротивления).
Исследователи из Лаборатории Кастлера-Броселя, Университет Сорбонны — CNRS недавно продемонстрировали, что фотоны в двухкомпонентной жидкости света могут проявлять как спиновые, так и плотностные моды, которые являются признаками смесей квантовых сверхтекучих жидкостей. Их статья, опубликованная в Physical Review Letters, может открыть новые и захватывающие возможности для моделирования и исследования квантовой физики многих тел с помощью оптических систем.
«Мы изучаем квантовые жидкости света, или, другими словами, оптические системы, в которых свет ведёт себя как сверхтекучая жидкость, которая во многом похожа на конденсаты Бозе-Эйнштейна или сверхпроводники», — рассказал Квентин Глориё, старший автор статьи.
«Целью этого исследования было выяснить, можно ли продвинуть эту аналогию дальше, создав смесь из двух взаимодействующих жидкостей света. Смеси очень интересны, поскольку они поддерживают богатую коллективную динамику и предлагают новую платформу для изучения квантовых фазовых переходов, топологических структур или даже аналоговой гравитации».
Чтобы подтвердить, что система является двухкомпонентной квантовой жидкостью, физикам необходимо продемонстрировать, что в ней присутствуют два разных типа коллективных колебаний. Первые из них — это колебания общей плотности фотонов (то есть плотностные моды), а вторые связаны с разницей между двумя её составляющими (то есть спиновые моды).
«Это именно то, что мы наблюдали в нашем эксперименте», — объяснила Клара Пьекарски, первый автор статьи. «Для нас эквивалентом волновой функции квантовой жидкости является огибающая электрического поля лазерного луча, распространяющегося через горячий атомный пар рубидия. В этой нелинейной среде фотоны начинают взаимодействовать друг с другом. Две компоненты жидкости соответствуют двум круговым поляризациям света, которые действуют как отдельные «виды» частиц в смеси».
По сути, Глориё, Пьекарски и их коллеги разделили лазерный луч на две части, каждая из которых имела разную круговую поляризацию. Они пропустили эти две поляризации света через горячий пар атомов рубидия, где они вели себя как два взаимодействующих бозонных газа.
Исследователи обнаружили, что внутри газа свет начал вести себя как сверхтекучий (то есть начал течь без сопротивления). Они могут создавать два типа возбуждений, которые распространяются без диссипации, возмущая систему с помощью более слабого светового луча контролируемой поляризации и ориентации.
«Наше наиболее заметное достижение — это чёткое наблюдение спиновых и плотностных мод в двухкомпонентной жидкости света», — сказал Глориё. «Мы показали, что эти моды могут быть селективно возбуждены, и мы наблюдали две различные скорости звука, по одной для каждой моды. Это первая экспериментальная реализация бинарной сверхтекучей жидкости, состоящей из фотонов. Это явно открывает широкие возможности в области квантовых жидкостей света».
В дополнение к наблюдению спиновых и плотностных мод двухкомпонентной жидкости света, исследователи показали, что относительные скорости этих двух мод можно контролировать, регулируя плотность фотонов. Эта возможность управления, которая обеспечивается насыщением атомного пара, уникальна для жидкостей света и, как было обнаружено, недоступна в других известных сверхтекучих веществах.
«Наши результаты открывают множество возможностей», — добавила Пьекарски. «Мы можем работать в режиме, где сверхтекучей является только спин, а не плотность, или наоборот. В данный момент мы изучаем несмешиваемый режим, где спиновая мода нестабильна, и две компоненты разделяются, занимая разные области пространства. Мы могли бы затем изучить квантовую версию гидродинамической неустойчивости, например, столкнув две компоненты».