Colapso e Ressurgimento Jaynes-Cummings

A seção inicia a discussão sobre o emaranhamento quântico, um fenômeno central na mecânica quântica, onde o estado de um sistema composto não pode ser descrito simplesmente como a combinação dos estados de seus subsistemas individuais. O estudo se concentra no modelo de Jaynes-Cummings (MJC), um modelo analiticamente solúvel que descreve a interação entre um átomo de dois níveis e um único modo de um campo eletromagnético quantizado, servindo como cenário ideal para investigar o emaranhamento. A pré-correlação é introduzida como uma técnica para preparar o sistema átomo-campo em estados emaranhados antes da interação direta via Jaynes-Cummings. O objetivo é gerar estados emaranhados que não podem ser criados diretamente a partir de condições iniciais fatoráveis (onde os estados dos subsistemas são independentes). A introdução de coordenadas baseadas nos autoestados 'vestidos' permite uma análise mais profunda da dinâmica do sistema.

Esta parte aprofunda a discussão sobre as implicações do emaranhamento quântico, apresentando o paradoxo EPR (Einstein-Podolsky-Rosen) e suas consequências. O paradoxo EPR questiona a completude da mecânica quântica devido à predição de correlações não-locais entre sistemas emaranhados espacialmente separados. A discussão inclui o trabalho de Bohm e outros físicos que exploraram as implicações filosóficas e físicas do paradoxo. O texto destaca que, apesar de décadas de debate, as consequências completas do emaranhamento ainda não são totalmente compreendidas. A seção também introduz a ideia de que, em um sistema quântico, o todo pode ser maior que a soma das partes, contrastando com a visão clássica onde o estado do todo é determinado pelo estado de suas partes constituintes. A menção à falta de evidência experimental para decidir a questão, até os trabalhos de Bell, que permitiram testes experimentais, contextualiza a pesquisa. Os resultados experimentais compatíveis com as previsões da mecânica quântica reforçam a existência do emaranhamento quântico.

A seção foca na dinâmica da inversão de população atômica, uma propriedade crucial para entender a evolução temporal de estados emaranhados no MJC. A partir de estados iniciais pré-correlacionados, são observados os fenômenos de ressurgimentos e colapsos da inversão. A utilização de uma aproximação de fase estacionária permite interpretar o 'trapping' de população (supressão de colapsos) como uma manifestação do 'caráter vestido' médio dos componentes do estado inicial. Essa interpretação é aplicada a uma classe bem conhecida de estados iniciais fatoráveis, mostrando a similaridade de fenômenos em diferentes cenários. A análise demonstra que certos estados pré-correlacionados, preparáveis pelos métodos descritos anteriormente, jamais se descorrelacionam sob a ação da interação Jaynes-Cummings ressonante. Esses estados, portanto, demonstram uma evolução temporal distinta daqueles gerados a partir de condições iniciais fatoráveis, não podendo ser preparados por interação direta a partir dessas condições. A dependência da inversão atômica em relação às 'coordenadas vestidas' é detalhada.

A seção introduz o conceito central de estados pré-correlacionados para um sistema átomo-campo. O objetivo é preparar esses estados antes da interação direta entre o átomo e o campo eletromagnético, usando um sistema auxiliar. Isso permite a observação da evolução dinâmica do sistema a partir de condições iniciais não-fatoráveis, ou seja, condições onde as propriedades iniciais do átomo e do campo não são independentes. O propósito é gerar estados que não podem ser obtidos simplesmente pela interação direta entre um átomo e um campo previamente não correlacionados. A manipulação de subsistemas, com o auxílio de outros átomos e campos, utilizando as técnicas experimentais de eletrodinâmica quântica de cavidades, é crucial para alcançar a pré-correlação. A seção destaca a intenção de estudar a evolução temporal desses estados e compará-la com a evolução a partir de condições iniciais fatoráveis, mostrando diferenças significativas na dinâmica.

Este método descreve a geração de estados pré-correlacionados através de um 'colapso indireto'. Um sistema auxiliar (rₓ) interage com o sistema átomo-campo (r₁ ⊗ r₂), criando um estado emaranhado global. Em seguida, uma medida no sistema auxiliar 'colapsa' o estado do sistema átomo-campo em um estado pré-correlacionado específico. Apesar da eficácia em princípio, o método apresenta limitações. A imprevisibilidade do resultado da medida no sistema auxiliar torna difícil controlar o estado final do sistema átomo-campo. Além disso, a medição direta do campo em uma cavidade é tecnicamente difícil, limitando a aplicabilidade do método em sistemas com cavidades. A medida no sistema auxiliar, embora colapse o estado conjunto, não pode ser interpretada como uma medida direta de um observável do subsistema átomo-campo porque os estados resultantes não são, em geral, ortogonais. O sistema auxiliar atua como um 'mensageiro', transmitindo correlação de um subsistema para o outro, e depois perde sua relevância.

Um segundo método, o 'revezamento unitário', é proposto como uma alternativa para preparar estados pré-correlacionados. Este método se baseia em uma manipulação completamente unitária do sistema, ao contrário do método anterior que utiliza um processo de medição. O processo descrito envolve primeiro gerar um estado emaranhado entre dois átomos, e então transferir esta correlação de um átomo para uma cavidade. Posteriormente, o processo inverso é considerado, gerando primeiro um estado emaranhado entre duas cavidades e então transferindo a correlação para um átomo. Entretanto, a inviabilidade experimental deste método é apontada, devido ao tempo necessário para manter a coesência do campo na cavidade e dificuldades em controlar simultaneamente os diversos componentes da montagem experimental. Apesar das limitações práticas, o método demonstra teoricamente a possibilidade de gerar estados pré-correlacionados exclusivamente através de manipulações unitárias, sem depender de medições. O texto indica a existência de outros estados correlacionados com as mesmas propriedades, sugerindo que a maioria dos estados possíveis para o sistema átomo-campo não são resultantes de uma evolução a partir de condições iniciais fatoráveis.

A seção descreve a realização experimental do modelo de Jaynes-Cummings (MJC) utilizando um feixe de átomos de dois níveis (átomos de Rydberg circulares) que interagem com um campo eletromagnético confinado em uma cavidade ressonante. A montagem experimental permite um controle preciso do tempo de interação entre o átomo e o campo, possibilitando a observação da dinâmica do sistema. O texto menciona o estado da arte em experimentos que permitem acesso direto às consequências peculiares do emaranhamento quântico. A alta fidelidade da realização experimental do MJC é enfatizada, graças a técnicas avançadas de preparação e manipulação de átomos individuais e de contenção de modos quantizados do campo em cavidades. A capacidade de medir diretamente a inversão de população atômica é crucial para a análise dos resultados experimentais. A possibilidade de usar as zonas de Ramsey para 'rodar' o estado atômico antes da detecção, permitindo a inferência de outras grandezas atômicas além da inversão, é também destacada.

Nesta parte, a atenção se volta para a observação experimental do fenômeno de 'trapping' de população. A dinâmica da inversão de população atômica é investigada a partir de estados iniciais pré-correlacionados, conforme preparados pelos métodos descritos anteriormente. A ocorrência de colapsos e ressurgimentos na inversão é analisada, mostrando como essa dinâmica depende das 'coordenadas vestidas'. O objetivo é verificar experimentalmente a existência de uma classe de estados que permanecem emaranhados, sem se descorrelacionar, sob a ação da interação Jaynes-Cummings ressonante. A observação do 'trapping' – onde a inversão permanece próxima de zero após um colapso inicial – é um resultado importante, indicando a manutenção de alta correlação entre o átomo e o campo. A interpretação do 'trapping' baseia-se na importância relativa dos estados vestidos para valores de n próximos de n̄, conforme explicado pelo método de Fleischhauer e Schleich.

O controle preciso da interação átomo-campo é discutido, destacando a capacidade de modificar a dessintonia entre os dois sistemas aplicando uma pequena voltagem entre os espelhos da cavidade. Isso permite controlar o tempo de interação e alternar entre regimes ressonantes e dispersivos. A possibilidade de simular uma interação tipo Jaynes-Cummings usando um fon confinado em uma armadilha eletromagnética e acoplar sua oscilação mecânica com níveis internos usando pulsos de laser é mencionada. O trabalho apresenta resultados experimentais que demonstram o 'trapping' de população, enfatizando que esse fenômeno não tinha sido explicado satisfatoriamente antes, sendo atribuído à interferência entre o dipolo atômico e o modo da cavidade. A pesquisa identifica uma classe de estados com átomos permanentemente despolarizados, onde o campo se emaranha e desemaranha com o átomo na mesma medida que o excita. Essa combinação de características leva a uma classe de estados que nunca são descorrelacionados pela evolução Jaynes-Cummings ressonante.