Электромагнитные волны впервые смешали на искусственном атоме

Физики впервые продемонстрировали эффект, называемый квантовым смешиванием волн на искусственном атоме. Исследование может помочь в разработке принципиально новых приборов квантовой электроники.

3 707

Выбор редакции

О результате, полученном специалистами из МФТИ и Университета Роял Холлоуэй в Великобритании, сообщается в журнале Nature Communications.

 

Исследователи из лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ под руководством профессора Олега Астафьева и их британские коллеги работали со сверхпроводящей квантовой системой, физически эквивалентной одиночному атому. Охлажденное до сверхнизких температур устройство могло испускать и поглощать отдельные кванты микроволнового излучения точно так же, как отдельные атомы взаимодействуют с квантами обычного света.

 

Синим показаны приходящие по сверхпроводящей полоске на чипе сигналы. Сам искусственный атом располагается снизу и обозначен квадратом. Он связан как со сверхпроводящей полосой, так и с заземляющим контактом.

Синим показаны приходящие по сверхпроводящей полоске на чипе сигналы. Сам искусственный атом располагается снизу и обозначен квадратом. Он связан как со сверхпроводящей полосой, так и с заземляющим контактом.

 

«Искусственные атомы», которые изучали исследователи, активно используются в экспериментах по квантовой оптике. Благодаря таким системам физики могут изучать процессы, которые сложно исследовать в иных случаях — например, испускание и поглощение нескольких фотонов. Если настоящий атом в зеркальной полости излучает свет в произвольном направлении, то сверхпроводящая система, напротив, светит в заданную сторону. Эта особенность позволила группе физиков зафиксировать процессы рассеяния нескольких квантов света на искусственном атоме — смешивание волн.

 

Электромагнитные волны впервые смешали на искусственном атоме График, отображающий результат эксперимента: по горизонтальной оси частота излучения, по вертикали — интенсивность. Два самых высоких пика соответствуют исходному излучению, а помеченные розовым, оранжевым и фиолетовым возникают в результате квантового эффекта смешивания волн на отдельном атоме. Верхний и нижний графики отличаются тем, сколько уровней энергии было у искусственного атома: два (сверху) или три (снизу).

 

При наблюдении за указанной системой ученые увидели на выходе как исходное излучение, так и электромагнитные волны, получившиеся в результате взаимодействия с искусственным атомом, частоты которых зависели от характера возбуждения системы. Это указывало на квантовое смешивание волн — эффект, наблюдать который ранее на подобных системах не удавалось.

 

Квантовые вычислительные системы используют упомянутую выше возможность нахождения квантового объекта одновременно в нескольких состояниях. В ряде случаев такая особенность позволяет внедрить специальные квантовые алгоритмы для решения тех задач, которые практически невозможно решить классическими методами за мало-мальски разумное время. Кроме того, квантовые эффекты уже используются в защищенных каналах связи, перехватить данные от которых без ведома отправителя и получателя принципиально невозможно.

 

Интерес к сверхпроводящей системе, то есть искусственному атому, не ограничивается возможностью наблюдать ряд эффектов квантовой оптики. По словам авторов, этот «атом» является также кубитом, базовым блоком квантовых компьютеров. Кубиты — основа для вычислений, использующих вместо классических битов, элементарных единиц информации, квантовые. Обычная вычислительная ячейка хранит либо 0, либо 1, а кубит способен находиться как бы одновременно и в нуле, и в единице — физики в таком случае говорят о суперпозиции состояний.

 

«В данной работе мы экспериментально продемонстрировали необычные эффекты при смешивании волн гигагерцевого диапазона на одиночном искусственном атоме. В эксперименте изучался кубит, сильно связанный с распространяющимся в линии электромагнитным полем, и мы смогли пронаблюдать смешивание квантового состояния света, приготовленного в кубите, и когерентного света в линии», — говорит Алексей Дмитриев, аспирант МФТИ и один из авторов исследования. Физики указывают, что обнаруженный эффект представляет собой «отпечаток» фотонной статистики исходного квантового состояния. Это может найти применение в квантовых вычислительных системах, которые активно развиваются в последние годы.

Naked Science Facebook VK Twitter
Физтех
96Статей
Московский физико-технический институт (МФТИ). Блог о последних научных открытиях ученых МФТИ и других российских вузов и исследовательских центров в различных областях науки, от астрофизики до генной инженерии.
3 707
Комментарии
Аватар пользователя Игорь Каширин
48 мин
Меня переубедишь построенными десятками км. струнной...
3 ч
Коллеги, всем добрый день читал комментарии на счет...
Аватар пользователя Специалист
3 ч
Лидия, если Вы только разбираетесь с технологией, то...

Колумнисты

Физтех
96Статей
Сколтех
36Статей
Discovery Channel
28Статей
СО РАН
6Статей
Комментарии

Быстрый вход

или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии
Вы сообщаете об ошибке в следующем тексте:
Нажмите Отправить ошибку