Манипулирование фотонами в cavity посредством дисперсионной связи атом–поле: квантовые измерения без разрушения и генерация состояний «кота Шрёдингера»

Подробно описан метод квантовых измерений без разрушения числа фотонов, содержащихся в высокодобротной cavity, предложенный Brune и соавторами [Phys. Rev. Lett. 65, 976 (1990)]. Метод основан на регистрации дисперсионного фазового сдвига, создаваемого полем в волновой функции нерезонансных атомов, пересекающих cavity. Этот сдвиг можно измерять методом атомной интерферометрии с использованием метода разделённых осциллирующих полей Рамсея. Информация, получаемая при регистрации последовательности атомов, шаг за шагом изменяет состояние поля, пока оно в конечном счёте не коллапсирует в состояние Фока. Одновременно фаза поля претерпевает диффузионный процесс вследствие обратного воздействия измерения на сопряжённую переменную числа фотонов. После формирования состояния Фока его эволюцию под действием слабого возмущения можно непрерывно контролировать, выявляя квантовые скачки между различными числами фотонов. При применении к исходному когерентному полю промежуточные этапы последовательности измерений порождают квантовые суперпозиции классических полей, известные как «состояния кота Шрёдингера». Обсуждаются способы подготовки и регистрации этих состояний в cavity, подвергающейся слабому релаксационному процессу. Проанализированные в статье эффекты могут быть реально наблюдаемы с использованием циркулярных ридберговских атомов и сверхпроводящих микроволновых cavity со сверхвысокой добротностью. Возможность «манипулирования» фотонами посредством нерезонансных взаимодействий атом–поле открывает новое направление в исследованиях cavity-квантовой электродинамики.