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.

2 118

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.

Физтех
52Статьи
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.
2 118

Комментарии
Аватар пользователя Alex Kohn
14 мин
Дробышевский-молодец.
Очень толковый ученый и...
Аватар пользователя Mikhail Mochalov
20 нояб
Russian people have much more than 9 state holidays....
Аватар пользователя Ithas
20 нояб
Конечно. Трудно представить, каким переживанием...

Колумнисты

Физтех
52Статьи
Discovery Channel
19Статей
Сколтех
12Статей
СО РАН
5Статей
Комментарии

Быстрый вход

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