Howard Carmichael

Howard John Carmichael (född 17 januari 1950) är en brittiskfödd Nya Zeeland teoretisk fysiker som specialiserat sig på kvantoptik och teorin om öppna kvantsystem. Han är Dan Walls professor i fysik vid University of Auckland och huvudforskare vid Dodd-Walls Center . Carmichael har spelat en roll i utvecklingen av området kvantoptik och är särskilt känd för sin Quantum Trajectory Theory (QTT) som erbjuder en mer detaljerad bild av kvantbeteende genom att göra förutsägelser om enskilda händelser som händer med individuella kvantsystem. Carmichael arbetar med experimentella grupper runt om i världen för att tillämpa QTT på experiment på enskilda kvantsystem, inklusive de som bidrar till utvecklingen av kvantdatorer. Han är stipendiat i Optical Society of America , American Physical Society och Royal Society of New Zealand . Han tilldelades Max Born Award 2003, Humboldt Research Award 1997 och Dan Walls Medal från New Zealand Institute of Physics 2017. 2015 erkändes han som en enastående domare av American Physical Society .

Howard Carmichael
Född	( 1950-01-17 ) 17 januari 1950
Nationalitet	Nya Zeeland
Alma mater	University of Auckland (BSc, MSc) University of Waikato (PhD)
Vetenskaplig karriär
Fält	Teoretisk fysik Kvantoptik
institutioner	University of Auckland University of Oregon University of Arkansas

Biografi och utbildning

Carmichael föddes i Manchester England den 17 januari 1950 och emigrerade till Nya Zeeland. Han tog en BSc i fysik och matematik 1971 och en MSc i fysik 1973 vid University of Auckland . Det var här som Carmichael träffade den nyzeeländska fysikern Dan Walls , som handlede Carmichaels MSc i Auckland, och senare hans doktorsexamen vid University of Waikato från 1972 till 1977. Efter att ha återvänt från doktorand och postdoktorala studier med Roy Glauber vid Harvard University och Hermann Haken vid universitetet i Stuttgart tog Walls med sig det snabbt växande området kvantoptik till Nya Zeeland, etablerade ett stort forskningscenter med en aktiv strategi att samarbeta med kvantoptikgrupper runt om i världen. Under Carmichaels doktorandstudier gjorde han och Walls viktiga bidrag till kvantoptikens teoretiska grund. Han reste sedan till USA för vidare forskarstudier.

Efter postdoktorala positioner vid City University of New York och vid University of Texas i Austin (1979–1981) utsågs Carmichael till biträdande professor och senare docent vid University of Arkansas . Han var gästforskare vid Royal Signal and Radar Establishment i Malvern 1984, gästprofessor vid University of Texas i Austin 1988 och vid Caltech 1989. 1989 utnämndes han till docent och 1991 till professor vid University of Oregon . Han återvände till Nya Zeeland 2002 för att ansluta sig till University of Auckland , och blev Dan Walls tillträdande professor i fysik, en position han fortfarande innehar idag.

Forskning

Carmichael har gjort viktiga bidrag till området kvantoptik och öppna kvantsystem under mer än fyra decennier. Han är särskilt känd för sin utveckling av kvantbanateorin (1993), som erbjuder ett sätt att beskriva utvecklingen av ett kvantsystem när det interagerar med sin omgivning. 1993 utvecklade han (samtidigt som en separat formulering av Crispin Gardiner ) teorin och tillämpningen av kaskadkopplade kvantsystem, där den optiska utsignalen från ett kvantsystem blir den optiska ingången för ett annat kvantsystem. Han har också bidragit till framsteg inom teorin om icke-klassisk ljus- och kvantkorrelation , kvantoptiska mätningar, kvantfluktuationer och brus i strålningsprocesser , ickelinjär fysik och multifotonprocesser, kavitetskvantelektrodynamik , kvantstatistiska metoder och kvanttrassling .

Antibuntljus

1976, medan Carmichael fortfarande var en doktorand, publicerade han och hans doktorandhandledare Dan Walls en nyskapande artikel som förutspådde foton-antibunching , vilket ledde till en experimentell demonstration av ljusets kvantnatur. Uppsatsen baserades på deras arbete med master ekvationstekniker för att beskriva öppna kvantsystem, som Carmichael började under sina mästare. De hade beslutat att undersöka resonansfluorescens eftersom det verkade vara en bra tillämpning av deras masterekvationer på två kopplade öppna kvantsystem . Det fanns ett stort internationellt intresse bland det nystartade kvantoptiksamhället, för både experimentell och teoretisk resonansfluorescens . Genom att använda sina nyutvecklade masterekvationstekniker härledde Walls och Carmichael formen av fluorescensspektrumet som överensstämde med tidigare experimentella resultat. De fortsatte med att beräkna andra ordningens korrelationsfunktion för att utforska statistiken för resonansfluorescens. De kunde använda korrelationsfunktionen för att förklara hur hopp av en emitterande atom präglar den emitterade fotonströmmen. De förutspådde att korrelationsfunktionen skulle sjunka till noll vid noll tidsfördröjning och föreslog ett Quantum Electrodynamics (QED) experiment för att testa deras förutsägelser. Dessa experiment utfördes kort därefter och gav bevis på kvantkaraktären hos ljuset som emitteras i resonansfluorescens.

Quantum trajectory theory (QTT)

Carmichael utvecklade kvantbanateori (QTT) i början av 1990-talet, ungefär samtidigt som de separata formuleringarna av Dalibard Castin & Mølmer, och av Zoller , Ritsch & Dum). QTT (även känd som quantum jump method eller Monte Carlo wave function (MCWF)) är en formulering av kvantmekanik som spårar vägen som ett kvantobjekt tar genom rymden av alla dess möjliga tillstånd när det mäts.

QTT är kompatibel med standardformuleringen av kvantteorin, som beskrivs av Schrödinger-ekvationen , men erbjuder en mer detaljerad vy. Schrödinger -ekvationen är en probabilistisk teori. Det ger sannolikheten att hitta ett kvantsystem i vart och ett av dess möjliga tillstånd om en mätning skulle göras. Detta är användbart för att förutsäga genomsnittliga mätningar av stora ensembler av kvantobjekt, men det beskriver inte beteendet hos enskilda partiklar. QTT fyller denna lucka genom att erbjuda ett sätt att beskriva banorna för individuella kvantpartiklar som följer de sannolikheter som ges av Schrödinger-ekvationen. QTT fungerar också med öppna kvantsystem som interagerar med sin omgivning till skillnad från Schrödinger-ekvationen som endast beskriver ett kvantsystem isolerat. QTT har blivit särskilt populärt sedan tekniken har blivit tillgänglig för att effektivt kontrollera och övervaka individuella kvantsystem eftersom den kan förutsäga hur enskilda kvantobjekt som partiklar kommer att bete sig när de observeras.

I QTT modelleras öppna kvantsystem som spridningsprocesser , med klassiska externa fält som motsvarar ingångarna och klassiska stokastiska processer som motsvarar utgångarna (fälten efter mätprocessen). Kartläggningen från ingångar till utgångar tillhandahålls av en kvantstokastisk process som är inställd för att ta hänsyn till en viss mätstrategi (t.ex. fotonräkning , homodyn / heterodyndetektering , etc).

QTT tar itu med mätproblemet inom kvantmekaniken genom att ge en detaljerad beskrivning av vad som händer under den så kallade " kollapsen av vågfunktionen" . Den förenar konceptet med ett kvanthopp med den mjuka utvecklingen som beskrivs av Schrödinger-ekvationen . Teorin antyder att "kvanthopp" inte är ögonblickliga utan sker i ett sammanhängande styrt system som en mjuk övergång genom en serie av superpositionstillstånd . Denna förutsägelse testades experimentellt 2019 av ett team vid Yale University ledd av Michel Devoret och Zlatko Minev i samarbete med Carmichael och andra vid Yale University och University of Auckland . I sitt experiment använde de en supraledande konstgjord atom för att observera ett kvanthopp i detalj, vilket bekräftar att övergången är en kontinuerlig process som utspelar sig över tiden. De kunde också upptäcka när ett kvanthopp var på väg att inträffa och ingripa för att vända det, vilket skickade systemet tillbaka till det tillstånd där det startade. Detta experiment, inspirerat och styrt av QTT, representerar en ny nivå av kontroll över kvantsystem och har potentiella tillämpningar för att korrigera fel i kvantberäkningar i framtiden.

Böcker

•   Howard Carmichael (1999, 2002) An Open Systems Approach to Quantum Optics 1 ; Springer, Berlin Heidelberg ( ISBN 3-540-56634-1 )
•   HJ Carmichael (1999, 2002) Statistical Methods in Quantum Optics 1: Master Equations and Fokker-Planck Equations ; Springer, Berlin Heidelberg ( ISBN 978-3-642-08133-0 )
•   HJ Carmichael (2008) Statistical Methods in Quantum Optics 2: Non-Classical Fields ; Springer, Berlin Heidelberg ( ISBN 978-3-540-71319-7 )
•   HJ Carmichael, RJ Glauber och MO Scully (Eds) (2001) Directions in Quantum Optics ; Springer, Berlin Heidelberg ( ISBN 3-540-41187-9 )

Heder och utmärkelser

• Dan Walls-medalj från New Zealand Institute of Physics (2017)
• Fellow i Royal Society of New Zealand (2006)
• Max Born Award från Optical Society of America (2003)
• Humboldt Research Award för seniora amerikanska forskare, Alexander Humboldt Foundation (1997)
• Fellow i American Physical Society (1995)
• Fellow i Optical Society of America (1990)