КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 21-72-10107

НазваниеМногофотонные состояния в одномерных квантовых системах

РуководительЧайковская Алиса Дмитриевна, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)

Прежний руководитель Шеремет Александра Сергеевна, дата замены: 15.02.2023

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2021 - 06.2024

Конкурс№61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-302 - Когерентная и нелинейная оптика

Ключевые словамногофотонные состояния, квантовая запутанность, топологическая фотоника

Код ГРНТИ29.31.27

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Сегодня физика квантовых систем является одной из наиболее быстро развивающихся научных областей, которая лежит в основе нового направления квантовых технологий. Прогресс последних десяти лет в развитии искусственных квантовых интерфейсов открывает новые возможности исследования коррелированных квантовых систем как с точки зрения фундаментальной науки, так и для их применения в квантовой коммуникации и вычислениях, а также для создания новой технологической платформы. Прорыв наблюдается как в области ультрахолодных атомных систем, где уже сегодня возможно наблюдение квантовых состояний в системах из нескольких тысяч атомов [1], так и в сверхпроводящих системах на основе кубитов, где можно достичь рекордных значений констант связи между излучением и искусственным «атомами» [2]. Практически все активно исследуемые искусственные квантовые структуры, такие как ультрахолодные атомы и сверхпроводящие кубиты, являются по сути фотонными системами, в которых фотоны используются как для осуществления взаимодействия между «атомами», так и для ввода-вывода сигналов из системы. При этом ключевым фактором в этих процессах является сила связи между квантовыми излучателями и фотонами. В свободном пространстве сила связи, как правило, невелика, что связано с малым сечением рассеяния фотонов на атомах. Однако одномерные волноводные структуры позволяют усиливать взаимодействие света с веществом благодаря локализации полей, одновременно с этим позволяя осуществлять эффективный ввод и вывод излучения [3]. Такой подход уже реализован в оптических нанофотонных системах, таких как фотонно-кристаллические волноводы [4, 5] и оптические нановолокна [6, 7], а также в микроволновых цепях, содержащих сверхпроводящие кубиты [2]. Таким образом, одномерные квантовые системы уже зарекомендовали себя, как одна из перспективных платформ квантовых технологий и являются сегодня предметом активных фундаментальных и прикладных исследований. Более того, эти разработки привели к образованию нового направления, получившего название «волноводная квантовая электродинамика» (англ. waveguide quantum electrodynamics, WQED). Несмотря на то, что одномерные системы являются одним из центральных сюжетов в квантовой физике, сильно коррелированные многочастичные системы все еще относительно плохо изучены. Связано это как со сложностью многочастичных квантовых систем и явлений квантовой запутанности в них, так и с тем, что фотоны волноводных мод могут значительно изменять характер взаимодействия между атомами. Так в системах wQED можно достичь полностью однонаправленной связи между излучателями за счет кирального характера взаимодействия, возникающего, в частности, в системах с топологически защищенными краевыми состояниями [8], в которых фотоны могут распространяться лишь в одном направлении без рассеяния на дефектах [9]. Кроме того, интерес представляют топологически защищенные многофотонные состояния, которые могут формироваться в одномерных структурах за счет нелинейности и которые до сих пор практически не изучены. Заявленный проект направлен на исследование новых многофотонных квантовых состояний в коррелированных одномерных системах, таких как топологически защищенные состояния в цепочках связанных кубитов, а также киральные состояния, формирующиеся в режиме однонаправленной связи. Будут исследованы формирование долгоживущих квантовых состояний и возможность их детектирования, а также влияние беспорядка на свойства квантовых систем. Литература [1] N. V. Corzo, J. Raskop, A. Chandra, A. S. Sheremet, B. Gouraud, and J. Laurat, "Waveguide-coupled single collective excitation of atomic arrays," Nature 566(7744), 359–362 (2019). [2] A. Frisk Kockum, A. Miranowicz, S. De Liberato, S. Savasta, and F. Nori, "Ultrastrong coupling between light and matter," Nat. Rev. Phys. 1(1), 19–40 (2019). [3] D.E. Chang et al., Quantum non-linear optics photon by photon, Nat. Photon. 8, 685 (2014). [4] J. S. Douglas, H. Habibian, C. L. Hung, A. V. Gorshkov, H. J. Kimble, and D. E. Chang, "Quantum many-body models with cold atoms coupled to photonic crystals," Nat. Photonics 9(5), 326–331 (2015). [5] A. Goban et al., Atom-light interactions in photonic crystals, Nat. Comm. 5, 3808 (2014). [6] S. Mahmoodian, M. čepulkovskis, S. Das, P. Lodahl, K. Hammerer, A. S. Sørensen, Strongly correlated photon transport in waveguide QED with weakly coupled emitters, Phys. Rev. Lett. 121, 143601 (2018) [7] A. S. Prasad, J. Hinney, S. Mahmoodian, K. Hammerer, S. Rind, P. Schneeweiss, A. S. Sorensen, J. Volz, and A. Rauschenbeutel, "Correlating photons using the collective nonlinear response of atoms weakly coupled to an optical mode", Nat. Photonics 14 (12), 719–722 (2020). [8] T. Ozawa, H.M. Price, A. Amo, et al. “Topological photonics”, Rev. Mod. Phys. 91, 015006 (2019). [9] P. Lodahl, S. Mahmoodian, S. Stobbe, P. Schneeweiss, J. Volz, A. Rauschenbeutel, H. Pichler, P. Zoller, Chiral quantum optics, Nature 541, 473–480 (2017)

Ожидаемые результаты
1. Параметры и конфигурации атомной цепочки вблизи волновода, обеспечивающие достижение наибольшей эффективности квантовой памяти. Будет также получена теоретическая модель, описывающая коллективную скорость распада и сдвиг частоты атомного перехода для системы атомов вблизи оптического волновода. Данные теоретической модели будут верифицированы с помощью численного моделирования. 2. Теоретическая модель, определяющая критерии разрушения андерсоновской локализации возбуждении в модели однонаправленно связанной спиновой цепочки в зависимости от степени асимметрии связи и величины беспорядка. 3. Теоретическая и численная модели, описывающие возникновение двухфотонных локализованных состояний в цепочках кубитов-трансмонов за счёт ангармонизма потенциала кубитов. 4. Теоретическая модель, определяющая критерии формирования локализованных двухфотонных состояний в одномерной спиновой цепочке с полностью асимметричным взаимодействием. Будут определены такие характеристики этих состояний, как степень локализации и среднее расстояние между фотонами (положение фотона определяется номером соответствующего узла). 5. Численные значения параметра асимметрии связи, обеспечивающие переход двухфотонных состояний от однонаправленного режима к режиму симметричного взаимодействия. 6. Техника спектроскопии топологических инвариантов для двухфотонных состояний в цепочках кубитов. Разработанный способ извлечения топологических инвариантов будет адаптирован для одномерных цепочек кубитов-трансмонов. 7. Фазовая диаграмма, характеризующая структуру и условия возникновения квантовых фаз в модели Бозе-Хаббарда при условии направленной связи в одномерной системе. 8. Теоретическая и численная модель для одномерной квантовой структуры, содержащей емкости, индуктивности и переходы Джозефсона, описывающая топологический переход в системе, индуцированный изменением количества фотонов. Переходы Джозефсона будут интегрированы не только в состав кубитов-трансмонов, обеспечивая ангармонизм их эффективного потенциала, но также и в связи, соединяющие кубиты, обеспечивая модификацию стандартного гамильтониана Бозе-Хаббарда. 9. Теоретическая и численная модели для топологического изолятора высокого порядка, реализованного на основе двумерного массива кубитов-трансмонов и демонстрирующего топологический фазовый переход при изменении количества фотонов в системе. Таким образом, будет разработана конструкция первого топологического изолятора высокого порядка на основе массивов кубитов. 10. Теоретическая модель, определяющая условия разрушения андерсоновской локализации многофотонных состояний в неупорядоченных системах при переходе к режиму однонаправленной связи между квантовыми эмиттерами. Запланированные результаты позволят раскрыть аспекты возбуждения, записи, передачи и защиты многофотонных квантовых состояний в одномерных системах, в том числе за счет использования топологических состояний и киральной связи волноводов, что позволит сделать концептуальный шаг к внедрению квантовых технологий. При этом запланированная исследовательская программа подразумевает решение широкого круга новых задач, лежащих на переднем крае современных исследований в области квантовой оптики и топологической фотоники.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---