U nedavnom radu objavljenom u časopisu Physical Review Letters, naš kolega Ivor Krešić opisao je novu metodu generiranja kvantne sprege između ultrahladnih atoma, baziranu na samoorganizaciji u rezonatorima laserski pumpanim u stanje izvan termodinamičke ravnoteže. Osim što razotkriva dosad neistraženu vezu između samoorganizacije i kvantnih efekata, ovo otkriće također nudi i priliku za unaprjeđenje postojećih tehnika stvaranja koreliranih atomskih parova.

Generating Multiparticle Entangled States by Self-Organization of Driven Ultracold Atoms
Ivor Krešić, Gordon R. M. Robb, Gian-Luca Oppo, Thorsten Ackemann

Physical Review Letters 131, 163602 (2023)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.163602

Samoorganizacija ultrahladnih atoma u optičkim rezonatorima često se koristi za kvantne simulacije pojava iz fizike sustava mnoštva čestica, kao što su Dickeov fazni prijelaz ili supersolidnost. Eksperimentalni rezultati u tom području se obično mogu teorijski objasniti u aproksimaciji srednjeg polja, pri čemu su kvantne korelacije između atomskih stupnjeva slobode zanemarene. U ovom radu je korištenjem punog kvantnog opisa teorijski pokazano kako je, u konfiguracijama u kojima fiziku samoorganizacije opisuju Hamiltonijani koji posjeduju kontinuiranu translacijsku simetriju, moguća spontana generacija kvantne sprege u stanjima količine gibanja. Proučena su dva teorijska modela, jedan baziran na svjetlošću posredovanim međudjelovanjem atoma u rezonatoru, te drugi baziran na direktnim sudarima između atoma u oscilirajućem magnetskom polju. Numerički izračuni pokazuju kako bi ova metoda potencijalno mogla biti vrlo učinkovita u generiranju kvantno spregnutih atoma čak i u tzv. lošim rezonatorima. Ovo otkriće otvara vrata za brojne uzbudljive primjene u kvantnoj metrologiji, simulacijama i računarstvu, ne samo korištenjem atomskih kondenzata, nego i drugih ansambala dipolnih čestica.

Slika 1. Generiranje kvantne sprege između dva moda atomske količine gibanja pomoću samoorganizacije. (a) „Spinska“ distribucija vjerojatnosti ovog kvantno spregnutog stanja prikazuje se na Blochovoj sferi kao tanka vrpca oko ekvatorijalne ravnine, gdje su operatori J_i dani u Schwingerovoj reprezentaciji. Jača kvantna sprega prisutna je u stanjima s većim radijusom J_eff te manjom širinom vrpce. Prilikom evolucije hladnih atoma u rezonatoru laserski pumpanom iznad kritičnog intenziteta, (b) širina vrpce raste sporije od (c) srednje vrijednosti radijusa, te je za određena trajanja pumpanja atomski sustav u vrlo kvantno spregnutom („Dicke-squeezed“) stanju.