Estados Cuánticos e Interacciones del Campo Luminoso

En este artículo, hablamos sobre un tipo especial de estado cuántico creado por la interacción entre un átomo y una cavidad llena de luz cuando es influenciada por un campo clásico externo. Este proceso involucra un átomo de dos niveles que se mueve a través de una cavidad mientras es afectado por un campo clásico. Esta interacción única lleva a cambios en los niveles de energía del átomo que dependen del número de fotones (partículas de luz) presentes en la cavidad.

Cuando el átomo entra en la cavidad en un estado excitado, analizamos el campo de salida generado en la cavidad. El estado general tanto del átomo como de la cavidad se puede describir usando una representación matemática, pero aquí nos enfocamos en la naturaleza estadística del campo de luz producido por esta interacción. Derivamos el estado cuántico de este campo de luz ignorando la parte del átomo de la descripción completa.

Examinamos varias propiedades de la fase cuántica, que incluye cómo se comporta la fase (una medida de la posición de una onda) en este campo radiante. Específicamente, vemos la distribución de fase, lo que nos ayuda a entender cómo se distribuyen las fases, así como la función de fase angular y la dispersión de fase.

Los Estados no clásicos, que se refieren a estados cuánticos que no tienen un equivalente clásico, pueden identificarse por su función de Glauber-Sudarshan negativa. Estos estados revelan comportamientos únicos, como mostrar regiones donde su función de Wigner (otra forma de representar estados cuánticos) es negativa. Esto indica una naturaleza no clásica distinta. En los últimos años, han surgido varias aplicaciones emocionantes para estos estados no clásicos. Por ejemplo, los estados comprimidos son útiles en ciertos tipos de comunicación segura, mientras que los estados entrelazados son esenciales para varios protocolos de información cuántica.

Hemos visto un interés creciente en las teorías sobre sistemas abiertos y cómo se aplican a la ciencia de la información cuántica. Al principio, era un desafío crear una descripción matemática clara para la fase cuántica. Sin embargo, los investigadores progresaron al introducir formas de expresar la fase cuántica usando operadores hermíticos, que son un tipo particular de objeto matemático importante en la mecánica cuántica.

En un espacio limitado conocido como espacio de Hilbert de dimensión finita, algunos investigadores propusieron un nuevo enfoque para definir un operador de fase hermítico basado en ciertas técnicas matemáticas. Sin embargo, este enfoque enfrentó críticas porque no explicaba adecuadamente ciertas incertidumbres relacionadas con las mediciones cuánticas.

Recientemente, ha surgido un método diferente que permite a los investigadores describir funciones de fase con más claridad. Entender la fase juega un papel clave en muchas áreas de la óptica cuántica, incluida la comunicación segura y la generación de estados de luz especiales que pueden mejorar varias aplicaciones en ciencia y tecnología.

Al examinar las propiedades de la fase cuántica, se han establecido varios criterios. La difusión de fase se ha estudiado en el contexto de fluctuaciones de fase cuántica causadas por factores ambientales. La desviación estándar es la forma más básica de medir las fluctuaciones cuánticas, y cualquier reducción en esas fluctuaciones indica un estado no clásico.

La investigación actual también se centra en entender el comportamiento de pequeños sistemas mecánicos a nivel cuántico. Los avances en tecnología han hecho posible manipular estos sistemas de manera efectiva. Analizamos un sistema mecánico más simple que comparte similitudes con otros sistemas físicos, como un ion atrapado o un qubit superconductor interactuando con luz.

En el escenario de un átomo de dos niveles interactuando con un único modo de un campo de cavidad, podemos comparar esto con el comportamiento de un oscilador armónico interactuando con luz. Este modelo fundamental permite a los investigadores estudiar varios fenómenos cuánticos fundamentales y puede formar la base de muchos esfuerzos experimentales. Un aspecto clave de esta interacción es la creación de estados entrelazados, donde el átomo y el campo de luz se conectan de una manera que exhibe propiedades no clásicas.

Sin embargo, las interacciones externas, como las del campo electromagnético circundante, pueden llevar a la decoherencia, lo que debilita las propiedades cuánticas de este sistema átomo-campo. Este fenómeno tiene implicaciones significativas para medir estados cuánticos y mantener la coherencia durante el procesamiento de información cuántica. Por otro lado, al usar campos externos, los investigadores también pueden manipular el estado átomo-campo, lo cual es esencial para tecnologías cuánticas, como sensores y técnicas de medición mejoradas.

El estudio de las propiedades de fase en tales sistemas es crítico, ya que influyen en muchos fenómenos físicos y aplicaciones. La distribución de fase del sistema átomo-cavidad pinta un cuadro de los patrones de interferencia que se podrían observar. Tener relaciones de fase bien definidas conduce a interferencia coherente, que es vital para varios montajes experimentales, incluidos divisores de haz e interferómetros.

Mantener una relación de fase estable es crucial en condiciones experimentales. Se emplean técnicas para la estabilización de fase para garantizar que los estados cuánticos permanezcan coherentes, minimizando fluctuaciones que podrían impactar mediciones y operaciones. En la tomografía de estados cuánticos, el objetivo es caracterizar el estado cuántico completo de un sistema, con información de fase que proporciona más conocimientos sobre el estado en comparación con solo medir la intensidad.

La dispersión de fase es otra propiedad importante, que indica cómo diferentes longitudes de onda de luz viajan a diferentes velocidades a través de un medio. Este comportamiento puede distorsionar o expandir los frentes de onda y afecta el comportamiento general de la luz. Este fenómeno es crucial para entender varios efectos, incluido cómo la luz interactúa con materiales.

El modelo actual del sistema átomo-cavidad proporciona un método para examinar cómo se transfieren los estados cuánticos, un aspecto esencial en escenarios que involucran osciladores armónicos acoplados. Por lo tanto, nuestro objetivo es investigar las propiedades de fase del campo de cavidad en asociación con el átomo siendo impulsado por un campo clásico externo, enfocándonos en cómo diferentes parámetros influyen en estas propiedades de fase cuántica.

Entender y controlar los estados no clásicos de luz es un objetivo central en la óptica cuántica. Los investigadores cuantifican las fluctuaciones en intensidad a través de funciones de correlación, que ayudan a identificar estados no clásicos. Los estados antibunching muestran una menor probabilidad de detección simultánea de múltiples fotones, un claro indicador de comportamiento cuántico.

Generar estados antibunching a menudo implica sistemas QED de cavidad, donde un emisor cuántico único se acopla a una cavidad óptica de alta calidad. Este fuerte acoplamiento resulta en la emisión controlada de fotones individuales, llevando a estados antibunching. Algunas situaciones pueden mostrar antibunching, influenciadas por la intensidad de la fuente de luz y otros factores. Por ejemplo, en campos coherentes débiles, el antibunching surge debido al bloqueo de fotones resultante de la división de Rabi.

La función de correlación de segundo orden mide la probabilidad de detectar dos fotones al mismo tiempo. Si esta función es menor que uno, indica antibunching. Este fenómeno es crucial para demostrar la naturaleza no clásica de las fuentes de luz, lo que tiene implicaciones significativas para varios experimentos y aplicaciones.

Este artículo procede a discutir cómo organizamos el trabajo. En la primera sección, describimos cómo se genera el estado a través de la interacción átomo-campo en presencia de un impulso clásico. Luego estudiamos cómo se comportan diferentes propiedades de fase, centrándonos en la distribución de fase cuántica, funciones de fase angular y fluctuaciones de fase relacionadas con el estado de interés. El artículo concluye resumiendo nuestros hallazgos.

En resumen, el estudio examina cómo un átomo de dos niveles interactúa con la luz de la cavidad mientras es influenciado por un campo clásico. Derivamos varias propiedades de fase cuántica y discutimos sus implicaciones para entender estados no clásicos. Nuestra investigación revela características esenciales del campo de radiación producido en el sistema átomo-cavidad, arrojando luz sobre la naturaleza cuántica de la luz generada por esta interacción. Estos hallazgos tienen una relevancia considerable para avanzar en la ciencia y tecnología de la información cuántica.