Впервые наблюдалась двухфононная квантовая интерференция

Исследовательской группе из Университета Осаки удалось наблюдать при спланированной синхронизации двухфононную квантовую интерференцию с помощью двух ионов кальция в холодных ионных ловушках, которые пространственно ограничивали заряженные частицы. Фонон является квантом колебательной энергии, которую генерируют колеблющиеся частицы в кристаллах. Об экспериментах по двухчастичной квантовой интерференции с использованием двух фотонов или атомов сообщалось ранее, но достижением этой группы является первое в мире наблюдение интерференции с использованием двух фононов.

Группа продемонстрировала, что фонон, квантовомеханическое описание элементарного колебательного движения в веществе, и фотон, квант света, имеют общие свойства. Результаты этой группы будут способствовать исследованиям в области квантовой обработки информации, в том числе квантового моделирования с использованием фононов и исследованиям квантового интерфейса.

Ионные ловушки являются важной техникой для обработки квантовой информации, включая квантовые вычисления. Исследования ионных ловушек проводится во всем мире, в том числе и доктором Дэвидом Уайнлендом (David J. Wineland) из Соединенных Штатов, ведущим экспертом в этой области, Нобелевским лауреатом по физике в 2012 году.

Для этого исследования команда из Университета Осаки под руководством почетного профессора Синдзи Урабе (Shinji Urabe), доцента Кендзи Тойода (Kenji Toyoda) и Ацуши Ногучи (Atsushi Noguchi) использовала лазер для облучения двух ионов кальция, чтобы полностью удалить практически любую кинетическую энергию ионов. После этого команда вызвала генерацию одного фонона в каждой из ионных ловушек.

Взаимодействие между двумя ионами приводит к тому, что фононы двигаются и интерферируют друг с другом. В случае классических частиц, существует вероятность того, что частицы будут обнаружены по отдельности в каждом местоположении. Однако поскольку эффекты двухфононной интерференции исключают возможность индивидуального детектирования каждой из частиц, было предсказано, что два фонона будут обнаружены одновременно в одной из двух ловушек.

С помощью экспериментов два фонона были фактически обнаружены в том же месте, подтвердив, что вероятность одновременного обнаружения фононов на отдельных сайтах близка к нулю. Такое поведение является отличительным интерференционным эффектом для бозонов, какими являются фотоны и фононы – типичное явление, которое указывает на квантовое поведение. Так как это явление можно наблюдать только тогда, когда квантовые частицы были должным образом одновременно приготовлены, вероятность успеха такого эксперимента с фотонами ограничена. Однако с помощью ионных ловушек отдельные фононы могут быть созданы с высоким уровнем контроля, что позволяет выполнить успешное наблюдение при специальной синхронизации.

Ионная ловушка и два иона (вверху справа)

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365