Dlaczego stare teorie nie wystarczały?
Przez dekady modele opisujące superradiację operowały ze znacznym uproszczeniem. Traktowały cały zbiór atomów jako jeden, wielki obiekt równomiernie oddziałujący z polem świetlnym we wnęce optycznej. W takim podejściu główną rolę grało oddziaływanie światła z materią, a pomijano lokalne, bezpośrednie wpływy między sąsiadującymi atomami.
Czytaj też: Uczeni wzmocnili kwantowy szept próżni. Efekt Unruha wreszcie możliwy do zaobserwowania
Fotony działają jako mediatorzy łączący każdy emiter ze wszystkimi innymi wewnątrz wnęki – tłumaczy João Pedro Mendonça
W rzeczywistych materiałach atomy leżące blisko siebie oddziałują jednak ze sobą bezpośrednio. Te lokalne oddziaływania typu dipol-dipol mogą znacząco wpływać na cały proces, czasem go wzmacniając, a kiedy indziej tłumiąc. Ignorowanie ich w modelach mogło prowadzić do błędnych przewidywań.
Nowe obliczenia, nowe możliwości.
Zespół opracował metodę obliczeniową, która w pełni uwzględnia splątanie kwantowe pomiędzy atomami a fotonami. To fundamentalna zmiana w podejściu. Wcześniejsze, prostsze modele semiklasyczne, choć wygodne matematycznie, poświęcały na ołtarzu prostoty informacje o subtelnych korelacjach kwantowych.
Modele semiklasyczne znacznie upraszczają problem kwantowy, ale kosztem utraty kluczowych informacji. Skutecznie ignorują możliwe splątanie między fotonami a atomami, a odkryliśmy, że w niektórych przypadkach nie jest to dobre przybliżenie – dodają autorzy
Efekty są konkretne. Okazało się, że lokalne oddziaływania mogą obniżać próg energetyczny potrzebny do wywołania superradiacji. Co więcej, naukowcy zidentyfikowali nowy, uporządkowany stan kwantowy o superradiacyjnych właściwościach, który wcześniejsze modele przeoczały. To wyraźny sygnał, iż bez uwzględnienia splątania nasza mapa stanów kwantowych w układach światło-materia jest niepełna.
Jak może to wpłynąć na rozwój przyszłych technologii?
Platformy oparte na wnękach optycznych, gdzie światło jest silnie sprzężone z materią, są podstawą rozwijanych technologii kwantowych. Jednym z najbardziej nośnych pomysłów są baterie kwantowe. Teoretycznie, dzięki zbiorowym zjawiskom kwantowym, mogłyby się one ładować w czasie znacznie krótszym niż klasyczne odpowiedniki. Dynamika superradiacyjna, odpowiednio sterowana, mogłaby być tu kluczowym mechanizmem. Co ważne, oddziaływania krótkiego zasięgu między atomami działają jak swego rodzaju regulatory. Zmieniając warunki w materiale, inżynierowie mogliby optymalizować te procesy, kontrolując przepływ energii.
Czytaj też: Zagadka lodu rozwiązana po 40 latach. Symulacje kwantowe pokazały co dzieje się w mikroświecie
Perspektywy są szerokie, choć na razie mocno teoretyczne. Podobna kontrola nad korelacjami mogłaby znaleźć zastosowanie w sieciach kwantowych lub w precyzyjnych czujnikach, które wykorzystują efekty kwantowe do pomiarów poza zasięgiem klasycznej instrumentacji. Droga od równań do działającego prototypu jest jednak długa i usiana wyzwaniami materiałowymi oraz inżynieryjnymi. Badania, opublikowane w Physical Review Letters, są owocem szerokiej współpracy, której ważną częścią byli nasi rodacy.