Серия слабых лазерных импульсов повысила точность квантового управления

Физики из Технологического института Стивенса (Stevens Institute of Technology) теоретически показали, что серию из двенадцати слабых лазерных импульсов можно настроить так, чтобы перевести квантовую систему из одного состояния в другое с той же точностью, что и одиночный мощный импульс — но без нежелательных побочных эффектов, которые возникают при высокой интенсивности поля. Работа опубликована в Journal of the Optical Society of America B. Метод пока описан теоретически и ожидает экспериментальной проверки.

В чём проблема с мощными лазерными импульсами

Управление квантовыми системами — атомами, молекулами, отдельными фотонами — лежит в основе квантовых вычислений, квантовой связи, высокоточных сенсоров и новых классов медицинских и научных приборов. Во всех этих применениях нужно переводить квантовую систему между заданными энергетическими состояниями, не «сбивая» её лишними взаимодействиями.

Стандартный способ — облучить систему лазерным импульсом подходящей частоты. Проблема возникает, когда для надёжного переключения требуется высокая интенсивность излучения: сильное поле вызывает так называемые многофотонные переходы — нежелательные взаимодействия, при которых квантовая система поглощает сразу несколько фотонов и переходит в состояния, отличные от целевого. Это снижает точность управления и может разрушить тонкую квантовую структуру, которой управляют.

Идея: распределить воздействие на серию слабых импульсов

Профессор Светлана Малиновская и её коллеги из Школы инженерных наук и технологий им. Чарльза Шефера рассмотрели альтернативу: вместо одного сильного импульса — последовательность из двенадцати слабых, каждый из которых находится ниже порога многофотонных эффектов. Параметры каждого импульса — время подачи, интенсивность, частоту и фазу — можно индивидуально настраивать.

Теоретические расчёты показали:

• правильно подобранная последовательность из двенадцати импульсов воспроизводит перенос квантового состояния, который обеспечивает одиночный мощный импульс;
• управление фазой и частотой каждого импульса позволяет подавлять нежелательные многофотонные пути, сохраняя нужный переход;
• метод в принципе масштабируем: число импульсов, их параметры и последовательность можно адаптировать к разным типам квантовых систем.

Важно подчеркнуть: речь идёт о теоретической демонстрации. До технического воплощения метода необходимо экспериментальное подтверждение — как самого принципа подавления многофотонных переходов, так и практической реализуемости столь тонкой настройки параметров серии импульсов.

Потенциальные применения

Если метод подтвердится экспериментально, он может оказаться полезен в нескольких областях:

• квантовые вычисления, где точность управления состоянием кубита критична для качества вычислений;
• квантовая метрология — высокоточные измерения физических величин с помощью квантовых систем;
• управляемые химические реакции на молекулярном уровне, где лазерные импульсы используются для избирательного разрыва или образования химических связей.

Авторы рассматривают свою работу как вклад в более широкую задачу: разработать методы квантового управления, которые были бы одновременно точными, практичными и устойчивыми к экспериментальным ограничениям реальных лабораторных систем.

Читайте также по теме: синтезе предсказанного квантового материала.