Un atom, o lumină și o rețea cuantică fără limite
Un studiu publicat pe 25 septembrie în revista Science Advances arată că interacțiunea dintre un singur atom și lumină, unul dintre cele mai simple sisteme din fizica cuantică, ascunde o rețea vastă și complexă de stări cuantice. Cercetarea a fost realizată de o echipă condusă de profesorii Sunkyu Yu și Namkyoo Park de la Departamentul de Inginerie Electrică și Calculatoare al Universității Naționale din Seul și de profesorul Xianji Piao de la Universitatea din Seul.
Interacțiunile dintre atom și lumină sunt descrise teoretic de modelul quantum Rabi, considerat cel mai fundamental model al acestor interacțiuni, și stau la baza computerelor cuantice și a tehnologiilor optice. Când un atom absoarbe un foton, starea sa energetică se modifică, iar când eliberează energie, poate emite un foton. Astfel de interacțiuni repetate susțin procesarea informației cuantice, senzorii cuantici, laserele, optica neliniară și numeroase alte tehnologii care implică lumina și materia.
În regimurile de cuplare slabă, comportamentul poate fi descris cu precizie prin aproximări consacrate. Totuși, pe măsură ce cuplarea dintre atom și lumină devine extrem de puternică, în regimurile de cuplare ultrapulernică și profund pulernică, aceste aproximări încep să eșueze. În aceste condiții, forța interacțiunii devine comparabilă cu sau mai mare decât frecvența intrinsecă a luminii, iar metodele standard aplicate modelului quantum Rabi nu mai sunt fiabile. De aceea, cercetătorii au folosit tradițional metode de aproximare diferite pentru a descrie diferite regimuri de cuplare, fără ca vreo teorie convențională să poată acoperi complet toate regimurile.
Pentru a depăși această fragmentare, echipa a dezvoltat un cadru matematic inspirat din teoria grafurilor, folosită pentru a interpreta hărți de metrou, arhitectura creierului sau rețelele sociale. În acest cadru, stările cuantice sunt reprezentate ca noduri, iar tranzițiile posibile dintre ele ca legături. Mai precis, combinațiile dintre numărul de fotoni și starea atomului devin „stații” pe graf, probabilitatea ca o stare cuantică să treacă în alta este codificată prin grosimea liniei de legătură, iar faza undei de lumină este redată prin culoarea liniei.
Prin această reprezentare, cercetătorii au descoperit că până și cel mai simplu sistem cuantic atom-lumină ascunde un graf semi-infinit, în care două tipuri de noduri sunt conectate printr-un număr nelimitat de legături de lungă distanță. Deși sistemul fizic poate consta dintr-un singur atom care interacționează cu lumina, stările cuantice accesibile formează o rețea vastă a cărei conectivitate crește fără limită.
Echipa a introdus apoi o metrică obținută dintr-un laplacian magnetic, care comprimă complexitatea acestei rețele într-un singur număr. Metrica ține cont atât de puterea conexiunilor din graf, cât și de distribuțiile de fază purtate de legături. Cu ajutorul acestui indice, cercetătorii au distins toate regimurile interacțiunii atom-lumină, de la cuplarea slabă la cea profund pulernică, pe o singură scară continuă, înlocuind imaginea fragmentată în care erau necesare instrumente teoretice separate pentru diferite puteri de cuplare.
Cercetătorii au investigat și de ce structura stărilor cuantice se schimbă atât de mult în condiții de cuplare puternică. Pentru fiecare dintre mai multe dimensiuni de subgraf, au generat și analizat 20.000 de configurații aleatorii. Rezultatele statistice au arătat că frustrarea de fază este un mecanism cheie care determină reorganizarea dramatică a stărilor cuantice în regimul de cuplare puternică. Concluziile arată că doar conectivitatea grafului nu este suficientă pentru a înțelege sistemele cuantice cu interacțiuni puternice: informația de fază distribuită în rețea și frustrarea produsă atunci când fazele nu pot fi făcute compatibile reciproc pot modifica fundamental stările cuantice ale sistemului.
Această perspectivă bazată pe grafuri dezvăluie o complexitate structurală ascunsă în unul dintre cele mai elementare modele ale fizicii cuantice și oferă un cadru matematic comun pentru analiza regimurilor de cuplare tratate anterior separat. Teoria ar putea contribui la proiectarea și controlul computerelor cuantice, simulatoarelor cuantice și rețelelor neuronale fotonice. În special, conectivitatea vastă a spațiului de stări generată de un singur atom care interacționează cu lumina ar putea oferi o bază fizică compactă pentru implementarea rețelelor neuronale artificiale.
„Am arătat că o structură imensă de conectivitate este ascunsă chiar și în cel mai simplu fenomen cuantic”, a declarat Namkyoo Park. El a adăugat: „Intenționăm să continuăm investigarea modului în care rețelele neuronale artificiale pot fi implementate prin controlarea interacțiunii dintre un singur atom și lumină.”
