Ультрастабильные лазерные источники востребованы во многих областях науки и техники. Они служат в качестве стандартов частоты [1], их используют при обнаружении гравитационных волн [2, 3] и проверки фундаментальных физических констант [4,5], они являются «сердцем» наиболее точных атомных часов [6-8]. Стабильность таких источников достигается за счет высокой стабильности резонатора Фабри-Перо, зеркало которого охлаждаются с помощью сложного криогенного оборудования. Хотя сегодня уже достигнут значительный прогресс в миниатюризации и транспортабельности таких источников [9, 10], самые стабильные лазеры все еще остаются инструментом, который можно использовать только в хорошо контролируемых лабораторных условиях. В первую очередь это вызвано высокой чувствительностью эталонного резонатора, за счет которого достигается стабильность, к любым ускорениям [10] и необходимостью постоянного охлаждения зеркал. В связи с этим в настоящее время оказываются востребованы лазеры со стабильной частотой излучения, способные работать вне лабораторий. В частности, такие источники особенно актуальны в геодезии [11], гидрологии [12], космических исследованиях фундаментальных
физики [13, 14].

Суперизлучательный лазер, стабильность которого не связана со стабильностью резонатора, является одним из возможных претендентов стать ультрастабильным лазерным источником нового поколения. Однако для достижения высоких значений стабильности необходимо более глубокое понимание кооперативных атомных эффектов, лежащих в основе его работы и, в частности, явления сверхизлучения.

Кроме того, исследование кооперативных эффектов с помощью кумулянтного анализа позволит лучше понять, как разрозненное, индивидуальное поведение атомов ансамбля приводит к возникновению коллективного дипольного момента (или спиновый волны), которое лежит в основе приближение Гольштейна-Примакова (Хольштейна-Примакова) [15], часто используемого при описании квантовых атомно-полевых интерфейсов [16] с помощью бозонных операторов рождения и уничтожения. В частности, при описании квантовой памяти [17].

2. Другим не менее значимым и актуальным направлением является создания высокоэффективного источника квадратурно-сжатого излучения. Такой световой источник востребован в современных детекторах гравитационных волн [18], а также в задачах квантовой оптики и информатики [15]. В частности, было показано, что для реализации масштабируемых однонаправленных квантовых вычислений на основе кластерных состояний необходим источник сжатого света со степенью сжатия 20 дБ [19]. На сегодня достигнут предел в 15 дБ [20] и дальнейшее увеличение степени сжатия (т.е. подавления шума), требует новых подходов и глубокого понимания кооперативных эффектов в спиновых ансамблях. Кроме того, высокая степень стабильности и монохроматичности источника сжатого света стала бы хорошим подспорьем во многих квантово-информационных приложениях.

3. Стоит также сказать, что подавляющее большинство теоретических работ, посвященных созданию сверхизлучательного лазера, базируются на использовании двухуровневой модели или упомянутого выше приближения Гольштейна-Примакова (Хольштейна-Примакова) [15]. Также в большинстве этих работ пренебрегают корреляциями старших порядков (начиная с третьего). И поскольку и один аспект, и второй аспект может сказаться на динамике квантовой системы, их систематический учет в физических моделях представляется важной и актуальной теоретической задачей.

[1] C.W. Chou et al., Phys. Rev. Lett., 104, 070802 (2010)
[2] S. Kolkowitz et al., Phys. Rev. D, 94, 124043 (2016)
[3] B.P. Abbott et al., Rep. Prog. Phys., 72, 076901 (2009)
[4] T. Rosenband et al., Science 319, 1808 (2008)
[5] R. Lange et al., Phys. Rev. Lett. 126, 011102 (2021)
[6] T. Nicholson et al., Nat. Commun. 6, 6896 (2015),
[7] I. Ushijima et al., Nat. Photonics, 9, 185 (2015)
[8] S. M. Brewer et al., Phys. Rev. Lett. 123, 033201 (2019)
[9] Vogt et al., Appl. Phys. B, 104, 741 (2011)
[10] D.R. Leibrandt et al., Opt. Express Vol., 19, 11, 10278 (2011)
[11] C. W. Chou et al., Science, 329, 1630 (2010).
[12] R. Schmidt et al., Surv. Geophys. 29, 319 (2008)
[13] S. Schiller et al., Exp. Astron., 23, 573 (2009)
[14] P. Wolf et al., Exp.Astron., 23, 651 (2009).
[15] Z. Kurucz and K. Molmer, Phys. Rev. A 81, 032314 (2010)
[16] K. Hammerer et al., Rev. Mod. Phys. 82, 1041 (2010)
[17] C. Simon et al., EPJD 58, 1 (2010)
[18] J. Aasi et al., Nat. Photonics, 7, 613 (2013)
[19] N.C. Menicucci, Phys. Rev. Lett. 112, 120504 (2014)