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 проекта 21-72-10107
НазваниеМногофотонные состояния в одномерных квантовых системах
Руководитель Чайковская Алиса Дмитриевна, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" , г Санкт-Петербург
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 слова многофотонные 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)
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ