量子物理学：多体局在現象のプローブとしての単一光子の下方変換

単一粒子の複数粒子への崩壊は、相互作用する量子系におけるありふれた現象で、衝突型加速器、原子炉、固体において起こっている。非線形媒質では、単一の光子であっても、全エネルギーが同一で周波数がより低い複数の光子への下方変換（分割）によって、フェルミの黄金律によって与えられる速さで崩壊する。しかし、媒質が有限で、量子化されたモードしか担持しないのであれば、エネルギー保存条件を正確に満たすことはできない。この場合、光子の行く末は、当初は量子ドットに閉じ込められた単一のフェルミ液体準粒子の寿命に関する思考実験として定式化された、多体局在現象という長年の未解決問題となる。今回我々は、光子数保存を強く破るように非線形性を調整した超伝導マルチモード共振器を用いて、そうした実験を行った。結果として生じる相互作用は、単一光子励起を低エネルギー光子のシャワーに変換しようとするが、多体局在現象の機構によって妨げられ、共振器の定在波モード周波数における多粒子共鳴の顕著なスペクトル微細構造として現れる。それぞれの共鳴は、広い周波数範囲の光子からなり、フェルミの黄金律に従わない、放射の多体状態として確認された。今回の結果は、多くの原子やキュービットの制御を必要とせずに多体局在現象の基本を探るための、新しいプラットフォームを示している。

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