30.08.2021
Сколтех
1
10 864

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.
Позавчера, 21:16
Илья Ведмеденко

Перспективный российский многоцелевой самолет «Байкал» оторвался от земли. Первый полноценный полет машина должна выполнить до конца января.

Позавчера, 19:15
Илья Ведмеденко

Российские специалисты из НПО имени С. А. Лавочкина предложили создать надувной модуль, который будет уводить старые космические аппараты с орбиты.

7 часов назад
Сергей Васильев

Чем более многочисленной становится низкоорбитальная группировка Starlink, тем больше астрономических снимков оказываются испорчены пролетами ее спутников.

Позавчера, 11:00
Сергей Васильев

Новые измерения свойств минерала из глубоких слоев мантии показали, что ядро планеты теряет тепло в полтора раза активнее, чем полагали до сих пор.

12 января
Алиса Гаджиева

Дополнительное исследование вулканических пород формации Кибиш в Эфиопии изменило датировку найденных там костей Homo sapiens.

Позавчера, 21:16
Илья Ведмеденко

Перспективный российский многоцелевой самолет «Байкал» оторвался от земли. Первый полноценный полет машина должна выполнить до конца января.

26.12.2021
Александр Березин

Российская тяжелая ракета имеет все шансы взлететь после Starship, хотя ее начали создавать на 20 лет раньше, да и по параметрам она радикально уступает детищу Илона Маска. Попробуем разобраться, почему любая попытка создать классическую ракету в наши дни — пустая трата времени и средств. А заодно дать ответ на вопрос, какую космическую ракету на самом деле стоит создавать России.

12 января
Алиса Гаджиева

Дополнительное исследование вулканических пород формации Кибиш в Эфиопии изменило датировку найденных там костей Homo sapiens.

19.12.2021
Александр Речкин

Корпорация Илона Маска с 2012 года разрабатывает космический корабль, который может изменить правила игры в космической отрасли. Starship, как его называют, должен стать многоразовой транспортной системой, способной доставить на Красную планету до 100 человек за раз.

[miniorange_social_login]

Комментарии

1 Комментарий

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
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
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
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: