Howard Carmichael

Howard John Carmichael (nacido el 17 de enero de 1950) es un físico teórico neozelandés nacido en Gran Bretaña especializado en óptica cuántica y teoría de sistemas cuánticos abiertos. ^{[1] [2]} Es profesor de Física Dan Walls en la Universidad de Auckland e investigador principal del Centro Dodd-Walls . Carmichael ha desempeñado un papel en el desarrollo del campo de la óptica cuántica y es particularmente conocido por su teoría de la trayectoria cuántica (TTQ), que ofrece una visión más detallada del comportamiento cuántico al hacer predicciones de eventos individuales que suceden en sistemas cuánticos individuales. ^{[3] [4]} Carmichael trabaja con grupos experimentales de todo el mundo para aplicar la TTC a experimentos en sistemas cuánticos individuales, incluidos los que contribuyen al desarrollo de computadoras cuánticas. ^[3] Es miembro de la Sociedad Óptica de América , la Sociedad Estadounidense de Física y la Sociedad Real de Nueva Zelanda . Fue galardonado con el Premio Max Born en 2003, el Premio de Investigación Humboldt en 1997 y la Medalla Dan Walls del Instituto de Física de Nueva Zelanda en 2017. En 2015, fue reconocido como árbitro destacado por la Sociedad Americana de Física .

Carmichael nació en Manchester, Inglaterra, el 17 de enero de 1950 ^[1] y emigró a Nueva Zelanda. Obtuvo una licenciatura en física y matemáticas en 1971 y una maestría en física en 1973 en la Universidad de Auckland . ^[1] Fue aquí donde Carmichael conoció al físico neozelandés Dan Walls , quien supervisó la maestría de Carmichael en Auckland y más tarde su doctorado en la Universidad de Waikato de 1972 a 1977. ^{[5] [6]} Habiendo regresado recientemente de los estudios de doctorado y posdoctorado con Roy Glauber en la Universidad de Harvard y Hermann Haken en la Universidad de Stuttgart, Walls trajo el campo de rápido crecimiento de la óptica cuántica a Nueva Zelanda, estableció un importante centro de investigación con una estrategia activa de colaboración con grupos de óptica cuántica en todo el mundo. ^{[5] [6]} Durante los estudios de doctorado de Carmichael, él y Walls hicieron contribuciones seminales a los fundamentos teóricos de la óptica cuántica. ^{[6] [5]} Luego viajó a los Estados Unidos para continuar sus estudios de posgrado.

Después de ocupar puestos postdoctorales en la City University de Nueva York y en la Universidad de Texas en Austin (1979-1981), Carmichael fue nombrado profesor asistente y más tarde profesor asociado en la Universidad de Arkansas . Fue científico visitante en el Royal Signal and Radar Establishment en Malvern en 1984, profesor visitante en la Universidad de Texas en Austin en 1988 y en Caltech en 1989. En 1989 fue nombrado profesor asociado y en 1991 profesor titular en la Universidad de Oregón . ^[1] Regresó a Nueva Zelanda en 2002 ^[7] para unirse a la Universidad de Auckland , convirtiéndose en el profesor inaugural de Física Dan Walls, un puesto que todavía mantiene en la actualidad. ^{[1] [8] [2]}

Carmichael ha hecho contribuciones fundamentales en el campo de la óptica cuántica y los sistemas cuánticos abiertos durante más de cuatro décadas. ^{[4] [9]} Es conocido particularmente por su desarrollo de la teoría de la trayectoria cuántica (1993), que ofrece una forma de describir la evolución de un sistema cuántico a medida que interactúa con su entorno. ^{[3] [10]} En 1993 desarrolló (al mismo tiempo que una formulación separada de Crispin Gardiner ) la teoría y aplicación de los sistemas cuánticos en cascada, en los que la salida óptica de un sistema cuántico se convierte en la entrada óptica de otro sistema cuántico. ^{[11] [12] [13]} También ha contribuido a los avances en la teoría de la luz no clásica y la correlación cuántica , las mediciones ópticas cuánticas , las fluctuaciones cuánticas y el ruido en los procesos radiativos , la física no lineal y los procesos multifotónicos, la electrodinámica cuántica de cavidades , los métodos estadísticos cuánticos y el entrelazamiento cuántico . ^{[4] [1] [14]}

En 1976, mientras Carmichael todavía era un estudiante de posgrado, él y su supervisor de doctorado Dan Walls publicaron un artículo seminal ^{[15] [16]} que predijo el antiagrupamiento de fotones , lo que condujo a la demostración experimental de la naturaleza cuántica de la luz. ^{[6] [7]} El artículo se basó en su trabajo con técnicas de ecuaciones maestras para describir sistemas cuánticos abiertos , que Carmichael comenzó durante su maestría. Habían decidido investigar la fluorescencia de resonancia porque parecía una buena aplicación de sus ecuaciones maestras a dos sistemas cuánticos abiertos acoplados . Hubo un considerable interés internacional entre la incipiente comunidad de óptica cuántica, tanto en la fluorescencia de resonancia experimental como teórica . ^[6] Usando sus técnicas de ecuación maestra recientemente desarrolladas, Walls y Carmichael derivaron la forma del espectro de fluorescencia que concordaba con resultados experimentales previos. ^[17] Continuaron calculando la función de correlación de segundo orden para explorar las estadísticas de la fluorescencia de resonancia. Pudieron usar la función de correlación para explicar cómo los saltos de un átomo emisor se imprimen en el flujo de fotones emitidos. Predijeron que la función de correlación debería caer a cero con un retardo de tiempo cero y sugirieron un experimento de electrodinámica cuántica (EDQ) para probar sus predicciones. Estos experimentos se realizaron poco después y proporcionaron evidencia del carácter cuántico de la luz emitida en la fluorescencia de resonancia. ^{[7] [6]}

Carmichael desarrolló la teoría de la trayectoria cuántica (TTQ) a principios de la década de 1990, ^{[11] [12]} casi al mismo tiempo que las formulaciones separadas de Dalibard Castin y Mølmer, y de Zoller , Ritsch y Dum. La TQQ (también conocida como método de salto cuántico o función de onda de Monte Carlo (MCWF)) es una formulación de la mecánica cuántica que rastrea la trayectoria que toma un objeto cuántico a través del espacio de todos sus estados posibles a medida que se mide. ^[10]

La QTT es compatible con la formulación estándar de la teoría cuántica, como se describe en la ecuación de Schrödinger , pero ofrece una visión más detallada. ^[3] La ecuación de Schrödinger es una teoría probabilística. Da la probabilidad de encontrar un sistema cuántico en cada uno de sus estados posibles si se realiza una medición. Esto es útil para predecir mediciones promedio de grandes conjuntos de objetos cuánticos, pero no describe el comportamiento de partículas individuales. La QTT llena este vacío al ofrecer una forma de describir las trayectorias de partículas cuánticas individuales que obedecen a las probabilidades dadas por la ecuación de Schrödinger. ^{[3] [18]} La QTT también funciona con sistemas cuánticos abiertos que interactúan con su entorno a diferencia de la ecuación de Schrödinger que solo describe un sistema cuántico de forma aislada. ^[10] La QTT se ha vuelto particularmente popular desde que la tecnología se ha vuelto disponible para controlar y monitorear de manera eficiente los sistemas cuánticos individuales, ya que puede predecir cómo se comportarán los objetos cuánticos individuales, como las partículas, cuando se observen. ^[3]

En QTT, los sistemas cuánticos abiertos se modelan como procesos de dispersión , con campos externos clásicos correspondientes a las entradas y procesos estocásticos clásicos correspondientes a las salidas (los campos después del proceso de medición). ^[1] La asignación de entradas a salidas se proporciona mediante un proceso estocástico cuántico que está configurado para tener en cuenta una estrategia de medición particular (por ejemplo, conteo de fotones , detección homodina / heterodina , etc.). ^[8]

La QTT aborda el problema de la medición en mecánica cuántica proporcionando una descripción detallada de lo que sucede durante el llamado " colapso de la función de onda ". Reconcilia el concepto de salto cuántico con la evolución suave descrita por la ecuación de Schrödinger . La teoría sugiere que los "saltos cuánticos" no son instantáneos sino que suceden en un sistema impulsado coherentemente como una transición suave a través de una serie de estados de superposición . ^[18] Esta predicción fue probada experimentalmente en 2019 por un equipo de la Universidad de Yale dirigido por Michel Devoret y Zlatko Minev en colaboración con Carmichael y otros en la Universidad de Yale y la Universidad de Auckland . En su experimento utilizaron un átomo artificial superconductor para observar un salto cuántico en detalle, confirmando que la transición es un proceso continuo que se desarrolla a lo largo del tiempo. También pudieron detectar cuándo estaba a punto de ocurrir un salto cuántico e intervenir para revertirlo, enviando el sistema de regreso al estado en el que comenzó. ^[19] Este experimento, inspirado y guiado por QTT, representa un nuevo nivel de control sobre los sistemas cuánticos y tiene aplicaciones potenciales en la corrección de errores en la computación cuántica en el futuro. ^{[19] [20] [21] [22] [10] [18] [23]}

• Howard Carmichael (1999, 2002) Un enfoque de sistemas abiertos para la óptica cuántica 1 ; Springer, Berlín Heidelberg ( ISBN  3-540-56634-1 )
• HJ Carmichael (1999, 2002) Métodos estadísticos en óptica cuántica 1: ecuaciones maestras y ecuaciones de Fokker-Planck; Springer, Berlín Heidelberg ( ISBN 978-3-642-08133-0 ) ^[24] 
• HJ Carmichael (2008) Métodos estadísticos en óptica cuántica 2: campos no clásicos; Springer, Berlín Heidelberg ( ISBN 978-3-540-71319-7 ) 
• HJ Carmichael, RJ Glauber y MO Scully (Eds) (2001) Direcciones en óptica cuántica ; Springer, Berlín Heidelberg ( ISBN 3-540-41187-9 ) 

• Medalla Dan Walls del Instituto de Física de Nueva Zelanda (2017) ^[25]
• Miembro de la Royal Society de Nueva Zelanda (2006) ^[26]
• Premio Max Born de la Sociedad Óptica de América (2003) ^[27]
• Premio de investigación Humboldt para científicos estadounidenses de alto nivel, Fundación Alexander Humboldt (1997) ^[28]
• Miembro de la Sociedad Americana de Física (1995) ^[1]
• Miembro de la Sociedad Óptica de América (1990) ^[1]