Kwantowe sterowanie światłem i materią

Dążenie do pełnej kontroli nad stanem kwantowym zimnych atomów i nad ich interakcjami z atomami doprowadziło do stworzenia wizji zespołowych interfejsów kwantowych i informacji kwantowej. Układy takie mogą potencjalnie pozwolić na doświadczalne implementowanie metod przetwarzania informacji i wykrywania z użyciem zjawisk mechaniki kwantowej.

Tak zaawansowane zastosowania zespołów zimnych atomów wymagają jednak opracowania wyrafinowanych metod pułapkowania i chłodzenia oraz technik diagnostycznych. Finansowany przez UR projekt naukowy AAPLQIC (Light-phonon quantum interface with atomic arrays in a cavity) powołano do życia w celu rozwijania aparatu teoretycznego umożliwiającego tworzenie pułapek optycznych we wnękach o wysokim współczynniku finezji.

Badacze zajęli się możliwością pułapkowania łańcuchów atomów we wnękach optycznych łączących niską liczbę modów z wysokim współczynnikiem finezji. Zajęto się zagadnieniem chłodzenia pojedynczej cząstki pułapkowanej we wnęce od strony teoretycznej i doświadczalnej. Natrafiono jednak na problemy ze stabilnością w przypadku jednoczesnego chłodzenia wielu cząstek stanowiących szyk.

Realizację głównego celu projektu rozpoczęto od przygotowania modelu teoretycznego. Model opisywał ogólną konfigurację, w której potencjał wnęki optycznej i szyk atomów mają różne okresowości. Stwierdzono, że niejednorodność pułapek jest kluczowym czynnikiem przy próbach chłodzenia wszystkich atomów poprzez globalne sprzężenie z modem wnęki.

Inne prace zespołu AAPLQIC dotyczyły zdefiniowania protokołu sprowadzania kolektywnego ruchu atomów do stanów użytecznych z punktu widzenia wykrywania kwantowego. W szczególności ściskaniu kolektywnego ruchu atomów towarzyszy splątanie kwantowe poszczególnych atomów. Nowa metoda umożliwia określanie stopnia ściskania ruchów atomów z dużą precyzją.

Układ doświadczalny, w którym zainstalowano nowe źródło światła kwantowego, powinien być obiecującą platformą w zastosowaniach technik kwantowych. Pierwsze wyniki zostały już upowszechnione w społeczności naukowej. Zdobyta wiedza przyczyni się do lepszego zrozumienia kwantowo-mechanicznego wpływu światła na atomy w niskich temperaturach.