Класичне світло змусило окремі фотони взаємодіяти: прорив у симуляції квантових систем
Міжнародна група фізиків показала, що нелінійна динаміка класичного світла може змусити одно- та двофотонні стани термалізуватися, що спрощує симуляцію складних квантових систем.
Міжнародна група дослідників зі США та Німеччини вперше теоретично довела, що класичні нелінійні хвилі можуть спричинити взаємодію окремих фотонів й досягати теплової рівноваги. Результати роботи опублікував журнал Science Advances, повідомляє Phys.org.
Фотони є ідеальними носіями інформації завдяки винятковій когерентності та швидкості, однак мають фундаментальне обмеження: вони не взаємодіють одне з одним у вакуумі. Звичайні оптичні матеріали демонструють надто слабку нелінійну реакцію на рівні окремих фотонів, тож керована взаємодія на квантовому рівні залишалася недосяжною.
Команда з Університету Сент-Луїса, Інституту Макса Борна та Гумбольдтського університету в Берліні запропонувала обійти це обмеження. Вони дослідили сценарій, де квантове світло поширюється разом із відносно інтенсивними класичними світловими полями в багатомодових нелінійних оптичних системах. Числові експерименти показали, що одно- та двофотонні стани в таких конфігураціях не просто зберігають початковий стан, а термалізуються.
Процес термалізації підтверджується появою характерних статистичних розподілів, зокрема розподілів Релея-Джинса та Больцмана. Інтенсивна класична хвильова динаміка виступає посередником, який створює ефективну взаємодію між фотонами, фактично з'єднуючи макроскопічну нелінійну оптику з мікроскопічною квантовою механікою.
Метод дає змогу моделювати квантову поведінку, яка раніше вважалася практично недоступною для оптичних установок. Замість екзотичних надсильних однофотонних нелінійних матеріалів, які складно виготовити й масштабувати, дослідники використовують стандартні класичні оптичні структури. Це дає змогу вивчати відкритих квантових систем, термодинаміки багатьох тіл і навіть аспектів квантових фазових переходів у звичайних лабораторних умовах.
Джерела
- Phys.org: Classical–quantum light interactions could make complex quantum behavior easier to simulate
Фото: Brecht Corbeel, Unsplash (Unsplash License)