Физики из МФТИ и университета Роял Холлоуэй в Великобритании впервые продемонстрировали эффект, называемый квантовым смешиванием волн на искусственном атоме. Результат, о котором сообщается в журналеNature Communications, может помочь в разработке принципиально новых приборов квантовой электроники.
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.
«Искусственные атомы», которые изучали ученые, 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.
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
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)
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 являются основой 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.
