Обычные субрадиантные состояния (долгоживущие запутанные состояния в волноводной квантовой электродинамике) подавляют коллективный распад за счет интерференции, но все равно ограничены локальными потерями — например, излучением в свободное пространство. Это давний барьер, мешающий созданию квантовой памяти и высокоточных сенсоров.

Группа из Университета Цинхуа предложила радикально новый подход — эффект квантового удержания энергии (ЭКУЭ). Вместо работы в стандартном марковском режиме, где фотоны мгновенно уходят из системы, ученые использовали не-марковскую динамику: задержку распространения фотонов в волноводе и их обратное воздействие на излучатели. Оказалось, если фотоны отражаются и снова поглощаются, они создают квази-связанные состояния, которые компенсируют часть потерь.

Результаты опубликованы в издании PhotoniX.

Чем сильнее связь излучателя с волноводом и чем больше расстояние между ними, тем заметнее эффект.

Например, при эффективности связи β = 0.5 и времени пробега фотона T ≈ 34.9 нс (это достижимо для атомов цезия в фотонно-кристаллических волноводах) общий распад уменьшается до 0.63γ₀ — ниже предела, который раньше считался фундаментальным.

Важно, что механизм работает даже для одиночного излучателя: фотоны, отражаясь, интерферируют с его собственным излучением. А в системах с множеством излучателей эффект усиливается за счет коллективного взаимодействия.

Экспериментально это можно проверить уже на существующих платформах — например, с атомами в волноводах и искусственно созданной задержкой. Помимо квантовой памяти и сенсоров, ЭКУЭ открывает путь к новым явлениям в не-марковской физике многих тел, где задержанные взаимодействия могут порождать неожиданные эффекты.

Этот результат меняет представление о неизбежности потерь в квантовых системах. Теперь можно говорить о «системах без утечек» — и, возможно, о масштабируемых квантовых сетях нового поколения.

Польза исследования

• Квантовая память: Увеличение времени жизни состояний критично для хранения квантовой информации.
• Сенсоры: Меньшие потери — выше чувствительность, например, в гравиметрии или магнитометрии.
• Фотонные схемы: Управление задержанной обратной связью позволит создавать более сложные квантовые процессоры.
• Фундаментальная физика: Не-марковские эффекты могут привести к новым типам квантовой корреляции.

Пока неясно, как эффект квантового удержания энергии поведет себя в реальных условиях с шумами и дефектами. Например, случайные флуктуации длины волновода могут разрушить тонкую интерференцию.

Ранее ученые предложили новый способ охлаждения фотонов.