Các tương tác không nhiễu loạn (nghĩa là các tương tác quá mạnh để có thể mô tả bằng cái gọi là lý thuyết nhiễu loạn) giữa ánh sáng và vật chất là chủ đề của nhiều nghiên cứu. Tuy nhiên, vai trò của các tính chất lượng tử của ánh sáng trong các tương tác này và các hiện tượng phát sinh từ chúng cho đến nay phần lớn vẫn chưa được khám phá.

Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Technion-Israel gần đây đã trình bày một lý thuyết mới mô tả cơ sở vật lý làm cơ sở cho các tương tác không hỗn loạn được điều khiển bởi ánh sáng lượng tử. Lý thuyết của họ, được trình bày trong vật lý thiên nhiênNó có thể hướng dẫn các thí nghiệm trong tương lai nghiên cứu các hiện tượng vật lý trường mạnh, cũng như sự phát triển của công nghệ lượng tử mới.

Bài báo mới nhất này là kết quả của sự hợp tác chặt chẽ giữa ba nhóm nghiên cứu khác nhau tại Technion, dẫn đầu bởi các nhà điều tra chính là Giáo sư Edo Kamener, Giáo sư Oren Cohen và Giáo sư Michael Kreuger. Các sinh viên Alexei Gorlach và Matan Even Zur, những tác giả đầu tiên của bài báo, đã dẫn đầu nghiên cứu với sự hỗ trợ và ý tưởng từ Michael Burke và Nick Rivera.

Giáo sư Kaminer và Gorlach nói với Phys.org: “Đây là một hành trình khoa học quan trọng đối với chúng tôi”. “Chúng tôi bắt đầu nghĩ đến sự tạo ra sóng hài cao (HHG) và các đặc tính lượng tử của nó vào năm 2019. Vào thời điểm đó, ánh sáng trong tất cả các thí nghiệm HHG đã được giải thích một cách cổ điển và chúng tôi muốn tìm hiểu xem khi nào vật lý lượng tử bắt đầu đóng một vai trò ở đó.

“Thành thật mà nói, chúng tôi thấy băn khoăn rằng nhiều hiện tượng cơ bản trong vật lý được giải thích bằng một lý thuyết hoàn toàn khác và do đó không thể liên kết được. Ví dụ, HHG đã dựa trên một lý thuyết mâu thuẫn với lý thuyết thường được áp dụng để giải thích sự phát xạ tự phát – và giải thích từng lý thuyết đó.” trên cơ sở khác.”

HHG là các quá trình vật lý phi tuyến tính cao đòi hỏi sự tương tác mạnh mẽ giữa ánh sáng và vật chất. Cụ thể, nó xảy ra khi các xung ánh sáng cường độ cao tác dụng lên vật liệu gây ra cái gọi là sóng hài cao của xung ánh sáng xung cường độ cao được phát ra.

Trong nhiều năm, Giáo sư Kaminer và đội nghiên cứu của ông đã cố gắng nghĩ ra một khuôn khổ duy nhất dựa trên lý thuyết lượng tử có thể xét chung mọi hiện tượng quang học, bao gồm cả HHG. họ Bài viết đầu tiên về chủ đề nàyxuất bản năm Truyền thông thiên nhiên Vào năm 2020, tôi đã trình bày một phiên bản đề xuất của khuôn khổ thống nhất này để phân tích HHG bằng ngôn ngữ quang học lượng tử.

Giáo sư Kaminer và Gorlach giải thích: “Nghiên cứu này đã mở ra lĩnh vực định lượng HHG mới nổi hiện nay”. Tuy nhiên, tất cả các thí nghiệm HHG đều được điều khiển bởi các trường laser cổ điển, thậm chí dường như không bao giờ có ánh sáng lượng tử nào đủ mạnh để tạo ra HHG. Tác phẩm của Giáo sư Maria Chekhova cho thấy có thể tạo ra ánh sáng lượng tử đủ cường độ ở dạng được gọi là chân không nén sáng. Điều này thúc đẩy cuộc điều tra mới của chúng tôi.”

Là một phần của nghiên cứu mới, Giáo sư Kaminer, Gorlach và các đồng nghiệp của họ đã tạo ra một khuôn khổ hoàn chỉnh mô tả các quá trình vật lý trường mạnh được điều khiển bởi ánh sáng lượng tử. Để xác thực khuôn khổ của họ về mặt lý thuyết, họ đã áp dụng nó cho HHG và dự đoán quá trình này sẽ thay đổi như thế nào nếu nó được điều khiển bởi ánh sáng lượng tử.

Giáo sư Kaminer và Gorlach cho biết: “Chúng tôi đã chỉ ra rằng, trái với mong đợi, nhiều đặc điểm quan trọng như cường độ và quang phổ đều thay đổi do sử dụng nguồn sáng điều khiển có số liệu thống kê photon lượng tử khác nhau”. “Bài báo của chúng tôi cũng dự đoán những kịch bản có thể xảy ra về mặt thực nghiệm mà chỉ có thể được giải thích bằng bất kỳ phương pháp nào khác bằng cách xem xét số liệu thống kê photon. Những thí nghiệm sắp tới này sẽ có ảnh hưởng và ý nghĩa lớn hơn nữa đối với lĩnh vực quang học lượng tử trường mạnh mới nổi này.”

Cho đến nay, công việc mà nhóm nghiên cứu này thực hiện chỉ mang tính lý thuyết. Bài báo của họ cung cấp lý thuyết đầu tiên cho các quá trình không nhiễu loạn được điều khiển bởi ánh sáng lượng tử, đồng thời chứng minh về mặt lý thuyết rằng trạng thái lượng tử của ánh sáng ảnh hưởng đến các đại lượng có thể đo được, chẳng hạn như quang phổ phát ra.

“Cách thức hoạt động của lý thuyết của chúng tôi là chia ánh sáng điều khiển thành một trong hai biểu diễn gọi là phân bố Glauber tổng quát hoặc phân bố Hossemi, sau đó sử dụng mô phỏng thông thường của trường HHG, phương trình Schrödinger phụ thuộc thời gian (TDSE), để mô phỏng các phần riêng biệt của sự phân bố”, Giáo sư Kaminer và Gorlach nói, trước khi hợp nhất các mô phỏng lại với nhau để rút ra kết quả tổng thể”.

“Chính sự kết nối giữa các công cụ tiêu chuẩn của cộng đồng với sơ đồ tính toán lượng tử quang học đã làm cho công việc của chúng tôi trở nên mạnh mẽ và hữu ích – và nó có thể được áp dụng cho trạng thái lượng tử ánh sáng tùy ý và hệ thống phát xạ tùy ý.”

Lý thuyết mới do Giáo sư Kaminer, Gorlach và các đồng nghiệp của họ đưa ra có thể sớm cung cấp thông tin cho các nghiên cứu trong các lĩnh vực vật lý khác nhau. Trên thực tế, bài báo của họ hình dung việc đưa ý tưởng vượt ra ngoài HHG, đến một loạt các quá trình không nhiễu loạn, tất cả đều có thể được điều khiển bởi các nguồn sáng phi cổ điển.

Dự đoán lý thuyết này có thể sớm được kiểm tra và xác nhận trong môi trường thử nghiệm. Ví dụ, lý thuyết của nhóm có thể được áp dụng trực tiếp vào việc tạo ra các xung atto giây thông qua HHG, một quá trình có thể hỗ trợ công việc của các kỹ thuật cảm biến lượng tử và hình ảnh lượng tử.

Về vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã xuất bản một bài báo lý thuyết gần đây trên tạp chí Quang tử tự nhiên trong đó đề xuất điều khiển cuộn dây xung atto giây bằng cách sử dụng bản chất lượng tử của ánh sáng, ví dụ như hiển thị các điều kiện đầy hứa hẹn bằng cách sử dụng sự kết hợp giữa ánh sáng cổ điển và ánh sáng lượng tử nén.

Ngoài ra, lý thuyết của họ có thể được áp dụng cho các hiện tượng khác dựa trên vật lý trường mạnh, chẳng hạn như hiệu ứng Compton, một quá trình được sử dụng để tạo ra các xung tia X.

Gần đây chúng tôi đã xuất bản một bài báo tiếp theo về ứng dụng này trên tạp chí Khoa học tiến bộ“, cuối cùng nó được đưa ra ánh sáng sớm hơn vì sự chậm trễ trong quá trình đánh giá ngang hàng,” Kaminer và Gorlach nói thêm về hiệu ứng Compton. “Chúng tôi hiện đang nghiên cứu triển khai thí nghiệm được thảo luận về mặt lý thuyết trong bài báo của chúng tôi.

“Một mục tiêu đầy tham vọng khác là khái quát hóa lý thuyết đã phát triển vượt xa HHG và nghiên cứu các hiệu ứng lượng tử trong các vật liệu khác nhau được điều khiển bởi ánh sáng cường độ cao, liên kết những phát triển mới của chúng ta trong quang học lượng tử với những ranh giới của vật lý vật chất ngưng tụ.”