《PRL》重磅：首個玻色子雙態系統的實現與態制備革命

量子系統與熱環境的耦合研究，是量子力學和統計熱力學的交叉領域，為從凝聚態物理到量子計算的各個領域提供了基本原理。歷史上，這一問題的原型一直是雙能級系統（TLS），尤其是那些受費米-狄拉克統計支配的系統，例如磁共振（NMR）中的電子或核自旋。然而，最近發表在PRL的一項實驗突破——實現了光子（玻色子）的熱化雙態系統——為玻色子雙能級系統的物理學打開了一扇新窗口，從根本上挑戰了我們傳統的量子態制備方法，并提供了一種實現空前效率的途徑。這篇題為《Thermodynamics and State Preparation in a Two-State System of Light》的論文詳細介紹了這項關鍵實驗，展示了如何利用光子的集體特性來實現遠遠超出費米子系統限制的態控制。

基礎：雙態系統中的費米子與玻色子

這項研究解決的核心問題是一個具有兩個不同能量本征態 (|Eg?基態和|Ee?激發態) 的系統，它們之間有一個小的能隙ΔE，并與一個溫度為T的熱浴接觸。系統的行為由其基本粒子統計規律決定：

• 費米子（如電子、質子）： 這些粒子遵循泡利不相容原理，即任何給定的量子態只能被一個粒子占據。在熱平衡狀態下，兩個態之間的布居數不平衡由低密度下的玻爾茲曼分布或更普遍的費米-狄拉克分布支配。布居數比為Ng/Ne∝e^{ΔE/kBT}。在典型的室溫NMR實驗中，由于ΔE?kBT，這導致布居數差異極小（通常約為10^{-5}），從而導致臭名昭著的低效率態制備和較差的信噪比。
• 玻色子（如光子、某些原子）： 這些粒子具有集體性，對占據單個態的粒子數量沒有限制。它們的平衡分布由玻色-愛因斯坦分布支配。這種傾向于集體占據的趨勢被稱為玻色子增強或玻色子刺激，是激光和玻色-愛因斯坦凝聚（BEC）等宏觀量子現象的原因。

在此項工作之前，實驗上的挑戰在于實現一個簡單、封閉的玻色子雙能級系統并使其熱化。光子雖然易得，但由于其缺乏質量和典型的相互作用機制，通常難以熱化。

實驗實現：熱化的光子雙態系統

研究人員利用一個巧妙的平臺——一個充滿染料溶液的光學微腔——成功地克服了熱化挑戰。

1. 創建雙態系統：通過微結構化其中一面腔鏡，為光子創建了兩個能量模式（態）。這種結構改變為受限光場刻印了一個雙勢阱勢，從而產生了兩個不同的光學本征模式——一個對稱的基態和一個反對稱的激發態——并具有一個可調的、很小的能隙ΔE。
2. 實現熱化：至關重要的是，光子通過在腔內充滿的染料分子中重復吸收和再發射循環來實現熱化。染料充當室溫 (T) 下的熱浴，使光子能夠達到明確定義的平衡溫度。高能染料分子吸收高能光子，并以環境熱能重新發射新光子，有效地為光場實現了一個巨正則系綜。

這一設置提供了一個前所未有的機會，可以研究 N 個玻色子在熱平衡下占據僅有的兩個量子能級時的統計規律，這一系統的動力學特性與費米子系統截然不同。

玻色子態制備的勝利

關鍵發現來自于觀察當系統中的光子總數 (N) 發生變化時（這在巨正則系綜中相當于調節化學勢）的態布居情況。

• 低占據數區域：玻爾茲曼統計

當光子總數較低時，觀察到兩個模式的布居數幾乎相等。這一行為完美地符合玻爾茲曼統計（或玻色-愛因斯坦統計的低占據數極限）的預測。由于能隙ΔE被故意設計得遠小于熱能ΔE?kBT，能量差異可以忽略不計，系統表現出經典行為，布居呈接近 50:50 的分布。這一結果反映了室溫NMR中效率低下的態制備情況。

• 高占據數區域：量子統計與超高效率

隨著研究人員增加光子數（填充度），系統進入了高占據數區域，此時玻色子增強占據主導地位。

• 高效基態布居：光粒子開始壓倒性地偏愛低能基態。在高填充度下，發現超過 90% 的光子占據了基態，這是一種顯著且高效的布居不平衡。
• 激發態飽和：上層（激發）態的占據數同時顯示出飽和的趨勢，維持在一個相對較低的固定水平。

這一顯著結果是玻色-愛因斯坦統計的直接后果。基態中光子的存在增強了新熱化光子也進入該態的概率。這種正反饋循環——玻色子集體性的標志——驅動了宏觀布居進入最低能模式，為熱力學態制備提供了高效率的途徑。

對量子技術和基礎物理學的啟示

這一玻色子TLS的成功實現和表征，對應用技術和基礎物理學都具有深遠的意義：

• 量子信息中的態制備

最直接的應用是量子技術中高效態初始化的潛力。傳統的費米子系統受限于熱力學效率低下。而這種玻色子方法，利用熱環境通過刺激來輔助態制備，而非阻礙它，為新的協議提供了藍圖。例如，通過簡單地增加光子總數，可以以近乎完美的保真度在一個所需的低能偏振或空間模式中創建光子量子比特，這比當前的低溫或光泵浦技術更簡單、更高效。

• 量子熱力學與多體物理學

從基礎角度來看，這項實驗為探索量子熱力學中的概念提供了一個原始且可調的平臺。

• 玻色子雙能級問題： 它為 N 個玻色子在耦合到熱浴的雙能級系統中的基本統計力學模型的首次實驗驗證。
• 相干-熱力學動力學： 在脈沖激發下觀察到的約瑟夫森振蕩證實了模式可以被相干操控，而持續激發則導致了熱化。這種二元性使該系統成為研究相干量子動力學與耗散熱力學過程之間相互作用的獨特工具。

總而言之，《Thermodynamics and State Preparation in a Two-State System of Light》是一篇超越歷史對費米子系統關注的里程碑式論文。通過在一個巧妙熱化的微腔中利用光子固有的集體特性，它不僅證實了玻色-愛因斯坦統計在一個簡單雙模系統中的理論預測，還展示了熱力學增強態控制的途徑。這項研究開啟了量子器件工程的新紀元，其中熱浴，這個傳統上被視為破壞性噪聲的來源，可以被重新定位為實現高效率量子態制備的強大盟友。