Физики смешали классический свет и полфотона на кубите — Naked Science
30 августа
Сколтех
1

Физики смешали классический свет и полфотона на кубите

4.5

Группа ученых из России и Великобритании впервые представила теоретическое описание эффекта квантового волнового смешения, в котором присутствуют как классические, так и неклассические состояния микроволнового излучения. Этот эффект, который до сих пор не имел строгого математического описания, может быть использован при исследовании взаимодействий между светом и материей в квантовых вычислениях и фундаментальной физике.

Физики смешивают классический свет и полфотона на кубите / / ©Павел Одинев / Сколтех

Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review A. «Мы аналитически описали весьма необычное явление — смешение классических световых волн с неклассическими, в частности со сжатым светом и „полуфотонным“ импульсом. Эта работа продолжает и развивает более ранние исследования нашего коллектива по разработке однофотонного микроволнового источника и генерации квантовой суперпозиции одного и нуля фотонов, то есть созданию того самого полуфотонного состояния», — рассказывает Олег Астафьев, руководитель исследования, сотрудник Сколтеха, МФТИ, Лондонского университета и Национальной физической лаборатории Великобритании.

Большой вклад в эту работу внесли первый автор статьи физик-теоретик Вальтер Погосов, научный сотрудник Всероссийского научно-исследовательского института автоматики имени Н. Л. Духова и Института теоретической и прикладной электродинамики РАН и экспериментатор Алексей Дмитриев, научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ.

Схема эксперимента / ©Олег Астафьев / Сколтех

Цель данной работы — теоретическое обоснование как проведенных ранее, так и вновь предлагаемых экспериментов с искусственными атомами, микроскопическими устройствами, для которых характерно основополагающее свойство атомов химических элементов — квантование уровней энергии. Свойства искусственных атомов делают их полезными в двух классах задач. Во-первых, они могут выполнять функцию кубитов — элементов квантового компьютера. В настоящее время эта тема весьма актуальна, но кроме того, физики используют искусственные атомы для исследования фундаментальных законов природы, по которым «живет» квантовый мир.

Преимущество искусственных атомов — наличие квантовых свойств в сочетании с удобством их использования в экспериментах: такой «атом» можно разместить на микросхеме и подключить к другим элементам схемы и внешней среде. В квантовой оптике искусственные атомы можно использовать в качестве платформы для исследования взаимодействия света и материи. В своей предыдущей работе ученые представили однофотонный микроволновый источник, который по запросу генерирует импульсы электромагнитного излучения, содержащие всего одну частицу света.

Устройство работает в микроволновом диапазоне, то есть речь не о фотонах видимого спектра (цвета радуги), а об излучении как в микроволновой печи, и распространяются такие фотоны не по оптическому кабелю, а по металлическим волноводам. При этом законы оптики остаются в силе: микроволновые фотоны — те же фотоны, только с гораздо большей длиной волны и меньшей энергией, чем у видимого света.

Авторы провели теоретическое исследование, в котором изучали так называемый эффект волнового смешения. Ранее тот же эффект ученые исследовали для случая классического светового излучения: два периодически повторяемых световых импульса, излучаемых на различных, но близких друг к другу частотах, движутся вместе и рассеиваются на искусственном атоме. Для этого сценария ученые получили схему распределения вероятностей обнаружения фотонов разных частот.



Спектральные компоненты в случае облучения кубита двумя когерентными волнами, то есть смешения только классического света. По горизонтальной оси — частота электромагнитного излучения, на которой регистрируются фотоны. По вертикальной оси — логарифмическая амплитуда, которая является мерой вероятности наблюдения микроволнового фотона на соответствующей частоте / ©Вальтер Погосов и др. / Physical Review A

Как можно было ожидать, два максимума посередине соответствуют вероятностям обнаружения фотонов на частотах излучения двух исходных световых импульсов. Спецификой эффекта волнового смешения обусловлены максимумы на других частотах: они отражают результат многофотонного рассеяния, и высота пика является количественной оценкой вероятности соответствующего многофотонного процесса. Исследователи не ограничились наблюдением необычного эффекта смешения классических волн и решили проверить, что произойдет, если один из двух исходных импульсов заменить на неклассический световой. В частности, ученые рассмотрели случай со сжатым светом и «полуфотонным» импульсом.

Это необычное состояние света, которое было получено учеными ранее с помощью однофотонного источника микроволнового излучения, представляет собой суперпозицию одного — нуля фотонов. Идеальный детектор в половине случаев идентифицирует такую волну как одиночный фотон, в остальных же 50 процентов случаев — как ноль фотонов (вакуум), что вполне логично с точки зрения квантовой физики.

На следующем рисунке показан спектр, отражающий статистическое распределение частот фотонов в случае квантового смешения классического светового и необычного полуфотонного импульсов. Сразу бросается в глаза асимметрия боковых пиков.

Спектральные компоненты в случае облучения кубита когерентной волной и светом в состоянии суперпозиции одного и нуля фотонов. По горизонтальной оси — частота электромагнитного излучения, на которой регистрируются фотоны. По вертикальной оси — логарифмическая амплитуда, которая является мерой вероятности наблюдения микроволнового фотона на соответствующей частоте / ©Вальтер Погосов и др. / Physical Review A

В отличие от классического волнового смешения, спектр является квантованным и имеют место строго три пика. Крайний левый пик соответствует статистике фотонов в состоянии «0 — 1»: в состоянии суперпозиции одного — нуля фотонов может находиться только один фотон. Остальные пики в принципе невозможны, так как многофотонные состояния в импульсе отсутствуют.

Таким образом, в посвященной феномену волнового смешения статье в Physical Review A впервые представлено теоретическое описание взаимодействий с участием неклассического полуфотонного импульса. В настоящее время ученые проводят эксперименты с источником фотонов и рассеивателем микроволнового излучения для подтверждения теоретических результатов. Подобные исследования позволяют не только глубже понять тонкости квантового поведения света, но и пополнить комплекс знаний, которые создатели квантовых компьютеров используют в своей работе. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Сегодня, 05:00
Мария Азарова

Новое исследование генетиков из Германии и Италии, похоже, помогло найти ответ на вопрос, который занимал ученых свыше двух тысяч лет: откуда взялись этруски?

Вчера, 16:17
Sergei Sobol

В 80-х годах прошлого века японская автомобильная компания Honda выпустила в продажу складной мопед Motocompo. У него складывались руль, сиденье и подножки, превращая мопед в относительно небольшой прямоугольный «чемодан», позволяющий ему помещаться в багажнике малолитражного автомобиля.

6 часов назад
Ольга Иванова

Такая же бурная, как у Луны и других планет внутренней Солнечной системы. Исследователи из США считают, что эти выводы бросают вызов традиционным теориям формирования планет земной группы.

24 сентября
Василий Парфенов

Недавно основанный стартап Success Rockets объявил о первых полноценных летных испытаниях своей суборбитальной ракеты Nebo 25. Запуск пройдет в ноябре, его цель — установить новый национальный рекорд по высоте полета среди частных компаний.

Сегодня, 05:00
Мария Азарова

Новое исследование генетиков из Германии и Италии, похоже, помогло найти ответ на вопрос, который занимал ученых свыше двух тысяч лет: откуда взялись этруски?

21 сентября
Алиса Гаджиева

Иранские ученые расшифровали тексты с глиняных табличек времен правления Дария I.

3 сентября
Алиса Гаджиева

Два бронзовых тарана и свинцовые пули обнаружили на месте битвы при Эгатских островах, состоявшейся почти 23 века назад.

11 сентября
Алиса Гаджиева

Необычное погребение обнаружили во время работ по устройству пруда в гольф-клубе.

15 сентября
Ольга Иванова

Американские исследователи выяснили, что в женских тампонах содержатся летучие органические соединения, которые влияют на присутствие этих веществ в моче. Интересно, что в прокладках их содержание значительно ниже.

[miniorange_social_login]

Комментарии

1 Комментарий

4 недели назад
-
0
+
Отношу написанное к полной чепухе,поскольку получение одиночного фотона,да еще в микроволновом диапазоне ничем не подтверждено.Какой осциллятор излучает такие фотоны? Само существование фотона радиоволны пока еще крайне проблематично.Сколько периодов излучения занимает такой "фотон"?
Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: