Полiт.ua Государственная сеть Государственные люди Войти
18 ноября 2017, суббота, 13:22
Facebook Twitter LiveJournal VK.com RSS

НОВОСТИ

СТАТЬИ

АВТОРЫ

ЛЕКЦИИ

PRO SCIENCE

СКОЛКОВО

РЕГИОНЫ

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
Loading...
Подпишитесь
чтобы вовремя узнавать о новых спектаклях и других мероприятиях ProScience театра!
3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM iPhone MERS PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi Адыгея Александр Лавров альтернативная энергетика Анастасия Волочкова «Ангара» антибиотики античность археология архитектура астероиды астрофизика аутизм Байконур бактерии бедность библиотека онлайн библиотеки биология биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера бозон Хиггса британское кино Византия визуальная антропология викинги вирусы Вольное историческое общество Вселенная вулканология Выбор редакции гаджеты генетика география геология геофизика глобальное потепление грибы грипп дельфины демография дети динозавры Дмитрий Страшнов ДНК Древний Египет естественные и точные науки животные жизнь вне Земли Западная Африка защита диссертаций землетрясение змеи зоопарк зрение Иерусалим изобретения иммунология инновации интернет инфекции информационные технологии искусственный интеллект ислам историческая политика история история искусства история России история цивилизаций История человека. История институтов исчезающие языки карикатура католицизм квантовая физика квантовые технологии КГИ киты климатология комета кометы компаративистика компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор космос криминалистика культура культурная антропология лазер Латинская Америка лексика лженаука лингвистика Луна мамонты Марс математика материаловедение МГУ медицина междисциплинарные исследования местное самоуправление метеориты микробиология Минобрнауки мифология млекопитающие мобильные приложения мозг моллюски Монголия музеи НАСА насекомые неандертальцы нейробиология неолит Нобелевская премия НПО им.Лавочкина обезьяны обучение общество О.Г.И. онкология открытия палеолит палеонтология память папирусы паразиты педагогика планетология погода подготовка космонавтов популяризация науки право преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека Протон-М психоанализ психология психофизиология птицы РадиоАстрон ракета растения РБК РВК РГГУ регионоведение религиоведение рептилии РКК «Энергия» робототехника Роскосмос Роспатент русский язык рыбы сердце сериалы Сингапур сланцевая революция смертность СМИ Солнце сон социология спутники старение старообрядцы стартапы статистика такси технологии тигры торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология Фестиваль публичных лекций физика физиология физическая антропология финансовый рынок фольклор химия христианство Центр им.Хруничева школа школьные олимпиады эволюция эволюция человека экология эмбриональное развитие эпидемии этика этнические конфликты этология Юпитер ядерная физика язык

Редакция

Электронная почта: politru.edit1@gmail.com
Адрес: 129090, г. Москва, Проспект Мира, дом 19, стр.1, пом.1, ком.5
Телефон: +7 495 980 1894.
Яндекс.Метрика
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003г. 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, 1998–2014.