23 октября 2019, среда, 13:01
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.Дзен

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

10 ноября 2017, 11:24

Электромагнитные волны впервые смешали на искусственном атоме

Илл.: МФТИ

Группа ученых из лаборатории искусственных квантовых систем Московского физико-технического института и Лондонского университета Royal Holloway (RHUL), возглавляемая профессором Олегом Астафьевым, впервые продемонстрировала смешивание классических и квантовых состояний света на одиночном сверхпроводниковом кубите, выполняющем роль искусственного атома. Об этом сообщается в статье, опубликованной в журнале Nature Communications, кратко об исследовании рассказывает пресс-релиз МФТИ. Результаты данной работы могут быть интересны с точки зрения развития микроволновой квантовой оптики на чипе, в частности для построения принципиально новых приборов квантовой электроники.

Искусственные атомы это системы, которые демонстрируют свойственное одиночному атому поведение. Например, они могут точно так же испускать и поглощать отдельные кванты электромагнитного излучения. В последнее десятилетие возникла и активно развивается микроволновая квантовая и нелинейная оптика на искусственных атомах, сверхпроводящих квантовых системах. Примером подобной системы является сверхпроводниковый резонатор, настроенный на частоту микроволнового излучения и связанный емкостным или индуктивным образом со сверхпроводящей же полоской, по которой передаются микроволновые сигналы.

Тонкий зазор из металла или диэлектрика между сверхпроводниками называют джозефсоновским контактом. Ток через него протекает за счет квантовомеханического туннельного эффекта и сильно зависит от разности фаз двух этих сверхпроводников. Джозефсоновские контакты нашли множество применений: это и сверхчувствительные датчики магнитного поля, и вычислительные элементы для квантовых компьютеров — кубиты.

Рисунок 1. Микроволновое излучение слева распространяется по сверхпроводящей линии (голубая). Эта линия связана с заземлением через конденсатор (характерная «змейка» сверху) и кубит, он же искусственный атом (обозначен квадратом). Излучаемые им кванты обозначены зеленым и розовым цветом. Иллюстрация авторов исследования.

Интерес физиков к подобным системам вызван тем, что между кубитом и сверхпроводящим резонатором на том же чипе возникает сильная связь. Это приводит к тому, что возбуждение квантовой цепи (кубита) передается резонатору за десятки наносекунд — в сотни раз меньше времен релаксации и дефазировки данной системы.

Квантовые системы могут находиться в нужном состоянии не вечно, а лишь определенное время. Разрушение квантового состояния происходит как за счет перехода системы в состояние с меньшей энергией (релаксация), так и за счет взаимодействия с окружающей средой (дефазировки).

Это позволило продемонстрировать ряд интересных эффектов из квантовой оптики, трудно реализуемых в других системах. К их числу относятся генерация произвольных квантовых состояний света в резонаторе, превращение искусственного атома в лазер, эффект Керра (изменение показателя преломления под действием электрического поля) на одиночном искусственном же атоме и ряд других. Особый интерес представляет тот факт, что режим сильной связи удается также получить, связывая кубит не с квантованным электромагнитным полем, а с непрерывным спектром электромагнитных мод — копланарной (расположенной в той же плоскости) проходной линией.

Выбранная исследователями схема имела две важные особенности. Во-первых, она позволяла, упрощенно говоря, отправить излученный кубитом одиночный фотон (или любое другое квантовое состояние света) гигагерцевого диапазона по коаксиальному проводу и произвести его измерение. Это практически невозможно сделать при использовании зеркальных полостей и находящихся в них обычных, естественных атомов: свет от атома будет излучаться равномерно во все стороны и поймать его детектором может быть затруднительно.

Во-вторых, в таких системах электромагнитное поле в микроволновом диапазоне, порожденное «атомом» за счет излучения при возвращении из возбужденного состояния, является отображением квантового состояния кубита до испускания фотонов. Соответственно, если исходное квантовое состояние являлось когерентным (то есть, имело определенную фазу), то фаза такого состояния будет «записана» в излучаемом электромагнитном поле.

Квантовые системы описываются при помощи волновой функции Ψ(x, t), имеющей амплитуду и фазу. Те или иные физические характеристики системы получаются путем манипуляций с волновой функцией: например, вероятность обнаружения частицы в том или ином месте равна квадрату амплитуды в этой точке.

В своем эксперименте ученые использовали сверхпроводящий кубит, сильно связанный с копланарной линией, для изучения нелинейного рассеяния когерентного электромагнитного поля на кубите. В квантовой оптике известен эффект четырехволнового смешивания, когда при пропускании трех световых волн  (две из которых могут совпадать между собой по частоте) через нелинейную среду возникает излучение на новых частотах, определяющихся алгебраической суммой частот исходных волн.

Нелинейные оптические эффекты — эффекты, связанные с изменением свойств среды (или отдельных атомов) под действием излучения. Среду, которая демонстрирует подобное поведение, также называют нелинейной.

Группа ученых из МФТИ и RHUL пронаблюдала данный эффект на одиночном сверхпроводниковом кубите, облучаемом двумя различными по частоте микроволновыми сигналами, близкими к резонансу кубита. При этом выяснилось, что возникает ряд интересных особенностей при облучении кубита короткими импульсами. В частности, кубит начинает испускать излучение на боковых частотах, интенсивность которого зависит от времени и амплитуды возбуждения — фактически, спектральное разложение осцилляций Раби.

В классической физике биение представляет собой наложение двух частот друг на друга с появлением пульсаций третьей (более низкой) частоты. В квантовой физике место колебательной системы вроде камертона или электромагнитной цепи занимает отдельный атом в специальном резонаторе.

Рисунок 2. Спектры излучения от изучавшейся сверхпроводящей системы. По вертикальной оси показано среднее количество фотонов, по горизонтальной отложена их частота. Голубые и зеленые пики соответствуют внешнему излучению, а розовый, оранжевый и фиолетовый возникают при испускании квантов искусственным атомом. Верхний график приведен для случая рассеяния света на двухуровневой системе, нижний — на трехуровневой системе. Иллюстрация авторов исследования

Также при нарушении временной симметрии между импульсами (то есть при их смещении относительно друг друга) удалось осуществить смешивание между квантовым состоянием света, «записанного» в кубите после первого импульса, и когерентным состоянием света во втором импульсе. Результат — наблюдение одиночного бокового пика (см. иллюстрацию, верхний график) и полное отсутствие остальных спектральных компонент, что обусловлено наличием не более чем одного фотона в кубите.

Комментарий Алексея Дмитриева, аспиранта МФТИ, одного из авторов работы: «В данной работе мы экспериментально продемонстрировали необычные эффекты при смешивании волн гигагерцевого диапазона на одиночном искусственном атоме. В эксперименте изучался одиночный 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. Полученные результаты, на наш взгляд, представляют физический интерес и наглядно показывают особенности нелинейного взаимодействия света и вещества — а именно, распространяющихся микроволновых сигналов и искусственного атома — в режиме сильной связи».

Спектр эластично рассеянного когерентного излучения представляет собой, таким образом, «отпечаток» фотонной статистики исходного квантового состояния. Данный эффект является фундаментальным и, в принципе, может быть продемонстрирован и на других системах.

Обсудите в соцсетях

Система Orphus
«Ангара» Африка Византия Вселенная Гренландия ДНК Иерусалим КГИ Луна МГУ Марс Монголия НАСА РБК РВК РГГУ РадиоАстрон Роскосмос Роспатент Росприроднадзор Русал СМИ Сингапур Солнце Титан Юпитер акустика антибиотики античность археология архитектура астероиды астрофизика бактерии бедность библиотеки биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера викинги вирусы воспитание вулканология гаджеты генетика география геология геофизика геохимия гравитация грибы дельфины демография демократия дети динозавры животные здоровье землетрясение змеи зоопарк зрение изобретения иммунология импорт инновации интернет инфекции ислам исламизм исследования история карикатура картография католицизм кельты кибернетика киты климатология клонирование комета кометы компаративистика космос культура лазер лексика лженаука лингвистика льготы мамонты математика материаловедение медицина металлургия метеориты микробиология микроорганизмы мифология млекопитающие мозг моллюски музеи насекомые наука нацпроекты неандертальцы нейробиология неолит обезьяны общество онкология открытия палеолит палеонтология память папирусы паразиты перевод питание планетология погода политика право приматы психиатрия психоанализ психология психофизиология птицы ракета растения религиоведение рептилии робототехника рыбы сердце смертность собаки сон социология спутники старение старообрядцы стартапы статистика такси технологии тигры топливо торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология физика физиология фольклор химия христианство цифровизация школа экология электрохимия эпидемии эпидемиология этология язык Александр Беглов Древний Египет Западная Африка Латинская Америка НПО «Энергомаш» Нобелевская премия РКК «Энергия» Российская империя Сергиев Посад альтернативная энергетика аутизм биология бозон Хиггса глобальное потепление грипп информационные технологии искусственный интеллект история искусства история цивилизаций исчезающие языки квантовая физика квантовые технологии климатические изменения компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор криминалистика культурная антропология междисциплинарные исследования местное самоуправление мобильные приложения научный юмор облачные технологии обучение одаренные дети педагогика персональные данные подготовка космонавтов преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека русский язык сланцевая революция физическая антропология финансовый рынок черные дыры эволюция эмбриональное развитие этнические конфликты ядерная физика Вольное историческое общество жизнь вне Земли естественные и точные науки НПО им.Лавочкина Центр им.Хруничева История человека. История институтов дело Baring Vostok Протон-М 3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi

Редакция

Электронная почта: [email protected]
Телефон: +7 929 588 33 89
Яндекс.Метрика
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2019.