Физики смогли контролировать динамику трехуровневой системы на основе искусственного атома
Коллектив ученых из лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ, Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН и Сколтеха провел уникальный эксперимент, в котором исследовал явление резонансной флуоресценции в трехуровневой системе. На систему воздействовали сразу два источника излучения.
Большинство квантовых процессоров оперирует кубитами — системами с двумя энергетическими уровнями, аналогами нулей и единиц. Однако природа не ограничена двоичным кодом. При добавлении третьего уровня кубит превращается в кутрит (или трехуровневую систему), что экспоненциально увеличивает вычислительную плотность и возможности кодирования информации.
Однако чем сложнее система, тем труднее заставить ее «танцевать» под дудку экспериментатора, не разрушив хрупкое квантовое состояние. До сих пор основные исследования флуоресценции — то есть переизлучения поглощенного света — фокусировались на двухуровневых системах или использовали простые схемы возбуждения.
Физики столкнулись с вызовом: как поведет себя сложный искусственный атом, если «ударить» по нему не одним, а сразу двумя резонансными импульсами, настроенными на разные энергетические переходы? В мире квантовой оптики это называется бихроматической накачкой, и предсказать результат взаимодействия света и материи в таком режиме — сложная задача.
Для эксперимента авторы работы создали искусственный атом на основе сверхпроводникового контура с туннельными контактами — так называемый трансмон. Это микроскопическое устройство, изготовленное методом литографии на кремниевой подложке, ведет себя как искусственный атом, но, в отличие от настоящих атомов, оно жестко закреплено на чипе и поддается точному инженерному контролю.
Образец охладили в рефрижераторе растворения до температур, близких к абсолютному нулю (около 16 милликельвинов), чтобы исключить любые тепловые шумы, способные помешать квантовым процессам. Результаты исследования опубликованы в журнале JETP Letters и поддержаны грантом Российского научного фонда 24-72-00050.
Сергей Гунин, научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ, рассказал о деталях процесса: «Мы использовали сложную схему, в которой на систему одновременно подавались два тона возбуждения, попадающие в резонанс с первым и вторым энергетическими переходами. Главной трудностью было выделить полезный сигнал, так как одиночные фотоны, испускаемые искусственным атомом, тонут в шумах усилителей. Нам пришлось применить алгоритмы быстрого усреднения на графических процессорах, выполняя миллиарды операций, чтобы восстановить картину происшествия».
Олег Астафьев, заведующий лабораторией искусственных квантовых систем МФТИ, добавил: «Мы обнаружили, что излучение искусственного атома в таких жестких условиях остается когерентным, то есть упорядоченным во времени. Более того, спектр рассеянного света расщепился на множество компонентов, образовав так называемую мультиплетную структуру. Если в классическом эксперименте с двухуровневой системой наблюдается три пика (триплет Моллоу), то здесь, благодаря наличию третьего уровня и двойной накачке, картина стала значительно богаче. Это похоже на то, как если бы вместо чистого звука камертона мы услышали бы сложный, но гармоничный аккорд.».
Полученные в эксперименте данные идеально совпали с расчетами, выполненными в рамках теории открытых квантовых систем. На графиках, иллюстрирующих работу, видно, как с ростом мощности накачки спектральные линии расходятся, образуя характерный узор, напоминающий переплетение нитей. Это подтверждает, что физики не просто наблюдают хаотичные вспышки, а полностью контролируют динамику трехуровневой системы. Важно отметить, что излучение происходило в стационарном режиме, что доказывает стабильность созданной конфигурации.
Использованный в работе подход позволяет изучать новые режимы взаимодействия света и материи, недоступные в классических кубитах. Авторы продемонстрировали, что могут считывать информацию о состоянии системы через корреляционные функции полей, фактически видя квантовую статистику фотонов в реальном времени.
Результаты исследования важны для развития квантовой радиофизики. Трехуровневые системы могут служить основой для более защищенных каналов передачи данных и более быстрых квантовых симуляторов. Понимание того, как именно рассеивается свет на таких объектах при сложном возбуждении, дает инженерам «инструкцию» по созданию высокоточных источников одиночных фотонов и детекторов.
Кроме того, подтвержденная возможность точного аналитического описания таких процессов означает, что ученые могут проектировать будущие устройства «на бумаге», будучи уверенными, что в «железе» они заработают так же.
Научная группа планирует дальше усложнять эксперименты, добавляя новые уровни и типы взаимодействий, приближаясь к созданию полноценных квантовых процессоров на основе многоуровневых систем. Исследование показало, что даже в «объятиях» мощных электромагнитных полей искусственные атомы могут сохранять свои квантовые свойства, открывая путь к электронике будущего.
Telegram 
Дзен 
VK Инфекции, такие как коронавирус, наносят серьезный удар организму, из-за чего даже после выздоровления он продолжительное время остается уязвимым. Сегодня для оценки иммунитета врачи смотрят в первую очередь на уровень антител в крови, однако такой подход не отражает реального состояния здоровья человека. Это не позволяет врачам точно прогнозировать, как будет протекать болезнь и насколько быстро пациент выздоровеет. Ученые Пермского Политеха и ПГАТУ впервые выяснили, как именно восстановление иммунитета зависит от пола человека и кто наиболее подвержен осложнениям после коронавирусной инфекции. Результаты исследования помогут правильно учитывать гендерные особенности пациента при лечении и реабилитации, что повысит точность прогнозов и эффективность терапии.
Плавящийся асфальт в США, многие тысячи погибших в Западной Европе, своеобразное лето в России — все это списывают на вредоносный феномен рекордного Эль-Ниньо. И конечно же, на него спихивают и ожидаемый рост цен на кофе и основные сельхозтовары. Правда, есть в этой картине и белые пятна: в прошлые Эль-Ниньо мировые урожаи росли. Что скорее всего случится в 2026 году и отчего роль этого события может быть куда больше, чем мы думаем?
Ученые МИЭМ ВШЭ предложили математическую модель, которая позволяет понять, как взаимодействие между сообществами влияет на их устойчивость. Работа основана на классической теории эволюционных игр и демонстрирует неожиданный эффект: даже небольшое информационное воздействие одного сообщества на другое может привести к тому, что одно из них сохранит внешнюю стабильность, а в другом начнутся хаотические изменения на уровне отдельных участников.
Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Сканирующая туннельная микроскопия достигла квантово-механического предела пространства-времени. Физики провели эксперимент и смоделировали перемещение одиночного электрона с атомарной точностью и скоростью в доли фемтосекунды. Результат показал границы применимости квантовых законов и объяснил механику сверхбыстрых процессов.
Инфекции, такие как коронавирус, наносят серьезный удар организму, из-за чего даже после выздоровления он продолжительное время остается уязвимым. Сегодня для оценки иммунитета врачи смотрят в первую очередь на уровень антител в крови, однако такой подход не отражает реального состояния здоровья человека. Это не позволяет врачам точно прогнозировать, как будет протекать болезнь и насколько быстро пациент выздоровеет. Ученые Пермского Политеха и ПГАТУ впервые выяснили, как именно восстановление иммунитета зависит от пола человека и кто наиболее подвержен осложнениям после коронавирусной инфекции. Результаты исследования помогут правильно учитывать гендерные особенности пациента при лечении и реабилитации, что повысит точность прогнозов и эффективность терапии.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно