Фотоны, кванты и состояние Фока: манипуляции с радиочастотным резонатором на квантовом уровне



    Мир квантовых технологий такой же богатый и запутанный, как история целой цивилизации. Одни открытия в этой области нас могут удивить, другие вводят в состояние интеллектуального ступора. А все потому, что квантовый мир живет по своим законам, и ему частенько нет никакого дела до классической физики. Мы привыкли связывать слово «квантовый» с вычислениями, которые можно производить быстрее и больше. Однако это далеко не единственное применение квантовых технологий. Сегодня мы рассмотрим исследование, в котором квантовая механика позволила ученым создать архитектуру, с помощью которой можно манипулировать радиочастотным резонатором на квантовом уровне. Звучит просто, но на деле достижение этого было сопряжено с рядом «головоломок». Какие именно аспекты квантовых наук использовали ученые, как они их реализовали и что именно из этого вышло мы узнаем из доклада исследовательской группы. Поехали.

    Основа исследования


    Первым делом ученые задают себе вопрос — какое самое слабое поле в квантовой механике? Ответ — однофотонное. И, казалось бы, обнаружение и манипулирование одним единственным фотоном не должно быть трудной задачей. Однако на мегагерцовых частотах это достаточно проблематично ввиду того, что имеются значительные тепловые флуктуации даже при криогенных температурах.

    В данном же исследовании ученые использовали гигагерцовый сверхпроводящий кубит для прямого наблюдения квантования мегагерцевого радиочастотного электромагнитного поля. Использование кубита позволяет получить контроль над тепловым излучением, охлаждением до основного квантовомеханического состояния и стабилизацией состояния Фока* фотона.
    Состояние Фока* — состояние в квантовой механике, когда количество частиц точно определено.
    Проблема тепловых «помех» во время манипуляций с одиночными фотонами становится значительно заметнее на низких частотах. Случайное возникновение и аннигиляция фотонов из-за горячей среды вызывает декогеренцию*. А это приводит к формированию комбинации случайных состояний, из которой сложно вычленить квантовое состояние.
    Декогеренция* — процесс нарушения согласованности колебательных/волновых процессов (когерентности) ввиду взаимодействия квантовомеханической системы и окружающей среды.
    Логично, что подобную проблему можно решить путем применения более холодных систем для извлечения энтропии, создаваемой окружающей средой. На практике такое решение именуется термическим резервуаром.

    Ученые применили технологии резервуаров в своей квантовой электродинамической схеме, что позволило эффективно охлаждать и манипулировать электромагнитными полями на квантовом уровне.

    В своем исследовании ученым удалось получить контроль над термически возбужденным мегагерцовым фотонным резонатором, что позволило наблюдать квантование радиочастотных электромагнитных полей. А манипуляция с квантовым состоянием была достигнута за счет резервуаров. Также ученым удалось стабилизировать однофотонное и двухфотонное состояния Фока.

    В основе всего лежит считывание и управление резонатора посредством дисперсионной связи фотонов резонатора и сверхпроводящего кубита. Однако, когда имеется гигагерцовый кубит и мегагерцовый фотон, связь (соединение) между ними в традиционной квантовой электродинамической схеме будет крайне слабой. Но и это препятствие ученые преодолели, предложив новый метод соединения.

    Результаты исследования



    Изображение №1

    Посредством созданной учеными схемы возникает очень сильное соединение между кубитом и фотоном (). Схема состоит, помимо прочего, из следующих элементов:

    LJ — контакт Джозефсона, 41 нГн (наногенри);
    CL — конденсатор, 11 пФ (пикофарад);
    L — спиральный индуктор, 28 нГн.

    При низких частотах паразитная ёмкость* спирального индуктора незначительна, а у альтернативной схемы () частота первого перехода будет равна ωL=2π х 173 МГц. Если же имеют место быть гигагерцовые частоты, CL становится коротким замыканием, а емкость спирального индуктора CH = 40 фФ (фемтофарад). В таком случае параллельное соединение () LJ, L и CH имеет частоту первого перехода в 2π х 5.91 ГГц. Подобная конфигурация схем позволяет обеим моделям совместно использовать контакт Джозефсона.
    Паразитная ёмкость* — нежелательная ёмкостная связь, которая возникает между элементами электронной (в данном случае в электродинамической) схеме.
    Данный контакт обладает индуктивностью, которая изменяется в зависимости от колебаний проходящего по нему тока. Ввиду этого резонансная частота высокочастотной (HF) моды смещается в соответствии с числом возбуждений в низкочастотной (LF) моде и наоборот.

    Подобное кросс-керровское взаимодействие количественно определяется числом смещений за 1 фотон: х = 2√AHAL, где ангармоничность* HF и LF мод равна AL = h х 495 кГц и AH = h х 192 МГц.
    Ангармоничность* — отклонение системы от гармонического осциллятора.
    Кросс-керровское взаимодействие проявляется как расщепление числа фотонов в измеренном микроволновом отражении S11.

    Как видно из графика 1D, ввиду сильного кросс-керровского взаимодействия квантовые колебания состояния Фока фотона (|0⟩, |1⟩, |2⟩…) в резонаторе приводят к сдвигу частоты перехода кубита.

    Собственные состояния системы были помечены как |j, n⟩, где j = g, e, f, … является возбуждением высокочастотной моды, а n = 0, 1, 2… — низкочастотной моды.

    Амплитуда пиков n пропорциональна Pnкext / кn, где Pn — положение уровня числа фотонов в низкочастотной моде, а кext / кn — разница между внешним соединением кext/2π = 1.6 МГц и шириной кn на пике n. В соответствии с распределением Бозе-Эйнштейна высот пика Pn, ученые определили среднее значение числа фотонов nth= 1.6, что соответствует модовой температуре в 17 мК (милликельвин).
    Статистика Бозе-Эйнштейна* — распределение идентичных частиц с нулевым или целочисленным спином по энергетическим уровням в состоянии термодинамического равновесия.
    Разрешение пиков индивидуальных фотонов обусловлено условием кn ≪ х/ħ. Соответственно ширина пиков будет увеличиваться с увеличением значения n: кn = к (1+4nth (H)) + 2γ(n+(1+2n)nth). В данной формуле к/2π = 3.7 МГц является уровнем диссипации высокочастотной моды, а γ/2π = 23 кГц — уровнем диссипации низкочастотной моды.

    В таком случае условие кn ≪ AH/ħ делает из высокочастотной моды трансмон (сверхпроводящий зарядовый кубит). Это позволяет селективно активировать переходы |g, n⟩⟷|e, n⟩ и |e, n⟩⟷|f, n⟩.

    А вот с низкочастотной модой все иначе. Ширина линии у нее всего несколько МГц, ввиду ограничения со стороны теплового расширения, значительно большего чем AL. Это делает из нее своего рода гармонический осциллятор.

    Процесс перехода частиц между состояниями осуществлялся через нелинейность контакта посредством накачки схемы на ωp частоте. В данном процессе возможно взаимодействие только 4 фотонов единовременно, когда 1 фотон в резонаторе (низкочастотная мода) аннигилируется, а на стороне трансмона образуется уже 2 фотона.


    Изображение №2

    Такой метод подкачки в сочетании с большой разницей в частотах релаксации мод позволяет охлаждать мегагерцовый резонатор до его основного состояния. Схема процесса показана на .

    Охлаждение будет только в том случае, если скорость термализации резонатора будет ниже скорости перехода возбуждений из |g, 1⟩ в |g, 0⟩. Есть и второй вариант охлаждения — посредством перехода |g, 1⟩⟷|e, 0⟩. Однако этот процесс является двухфотонным, а потому требует большей мощности подкачки.

    На изображении 2В показаны измерения S11 (микроволновый отклик) при разных уровнях мощности охлаждающей подкачки. Как мы видим из этого графика самый лучший результат достигается, когда уровень населенности основного состояния равен 0.82.

    Если же населенность использовать как функцию кооперативности*, то будет видно, что при более высокой (сильной) кооперативности начнется резкое снижение показателя населенности основного состояния. Следовательно, процесс охлаждения будет невозможен в такой ситуации.
    Кооперативность* — изменения состояния системы, когда взаимодействие между ее элементами усиливается с течением процесса изменения таким образом, что ускоряет этот процесс.
    Ученые отмечают три основных фактора, которые ограничивают охлаждение и приводят к тому, что мы видим на графике — чем выше кооперативность, тем хуже дела обстоят с населенностью.

    Первый фактор это термическая населенность кубита. Подкачка переводит населенность из |g, 1⟩ в |f, 0⟩, однако возникает и обратный процесс из-за того, что уровень f обладает термической населенностью (хоть и очень малой) — 0.006. Из этого следует такое соотношение: P1/P0 ﹥Pf/Pg (пунктирная линия на ).

    Второй фактор — во время сильного соединения (связи) подкачка гибридизирует состояния |g, 1⟩ и |f, 0⟩. Если g превышает скорость распада 2k, то населенность состояния |g, 1⟩ начнет переход в |f, 0⟩ и вернется обратно в |g, 1⟩, не имея при этом времени на распад до состояния |e, 0⟩.


    Изображение №3: обход ограничения внерезонансного воздействия многопоточной накачкой

    Обойти этот ограничивающий фактор можно «массовостью», то есть одновременно запускать несколько процессов охлаждения |g, n⟩⟷|f, n-1⟩. Чем больше таких потоков, тем меньше мощности подкачки требуется для достижения необходимой населенности основного состояния. Следовательно, влияние внерезонансного воздействия снижается.

    Корме того, можно объединить разные процессы, |g, n⟩⟷|f, n-1⟩ и |g, n⟩⟷|f, n+1⟩, что позволит достичь стабилизации состояний Фока мегагерцового резонатора.


    Изображение №4

    Напоследок ученые проверили динамику всей системы с учетом резервуаров и термализации мегагерцевого резонатора с временным разрешением (интервалом) в 80 нс (наносекунд). Во время измерения микроволнового отражения на определенной частоте накачка включалась и отключалась на 50 мкс (микросекунд).

    На изображениях выше представлены результаты данной проверки: — динамика охлаждения до основного состояния и — стабилизация однофотонного состояния Фока.

    После изучения стационарного состояния, обусловленного накачкой, последняя прекращалась, что позволило наблюдать за процессом термализации устройства.

    Ученые подвели итоги своего труда в нескольких умозаключениях. Во-первых, система хоть и показывает хорошие результаты охлаждения до основного состояния и стабилизации состояний Фока, но есть определенные проблемы, которые требуют дальнейшего изучения. В первую очередь, это внерезонансное воздействие. Эту проблему можно решить путем определения точного значения AH и Χ, что позволит убрать внерезонансные процессы из частотного диапазона процесса охлаждения. Второй метод это достижение высокой населенности основного состояния до того, как эффект сильного соединения (связи) начнет значимо влиять на процесс. Вариант снижения диссипации кубита ученые не рассматривают из-за того, что этот метод хоть и ликвидирует негативный эффект внерезонансных процессов, но сильная связь будет возникать при более низкой мощности накачки.

    Для более детального ознакомления с подробностями исследования настоятельно рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

    Эпилог


    Квантовый мир, его законы, ограничения и преимущества сложно понять, но возможно и, самое главное, необходимо. Одним из самых сложных направлений в данной области является объединение квантовых и классических физик, то есть применение квантовых технологий для изменения, управления и улучшения процессов, описываемых классической физикой.

    В данном исследовании ученым удалось создать архитектуру квантового устройства, которое может манипулировать радиочастотным резонатором на квантовом уровне. Сами исследователи с оптимизмом смотрят в будущее своего детища. По их словам, это может дать толчок для создания подобной, но куда более сложной и масштабной системы, которая может помочь в исследовании тел в системах Бозе-Хаббарда. Также ученые указывают на то, что их творение может служить связующим звеном между квантовыми технологиями и физическими системами в мегагерцовом частотном диапазоне. Данное устройство может также быть использовано в совершенствовании ЯМР (ядерно-магнитного резонанса) и даже в радиоастрономии.

    Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличной всем рабочей недели, ребята.

    Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

    VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до лета бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.

    Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
    • +21
    • 4,7k
    • 3
    ua-hosting.company
    313,00
    Хостинг-провайдер: серверы в NL / US до 100 Гбит/с
    Поделиться публикацией

    Комментарии 3

      0
      Прошу подсказать, наверное мне лучше надо знать основы физико-химические основы, но что инициирует колебания? На схеме видно, надпись насос, а что в реальности использовалось: какой генератор, какой импульс?
      И так же интересно, разделительная ёмкость не влияла на L-C контур? Так же, наверное, была ёмкость и индуктивность линии возбуждающей цепи?
        +2
        Pump переводится как «накачка», просто непрерывный поток фотонов (т.е. когерентное «классическое» эм поле) определенной частоты, которая соответствует переходу на картинке. Источник накачки — обычный генератор, типа такого.
        0
        Я застрял на новом для себя понятии фотонного поля, дальше не осилил. Понять бы что такое фотонное поле.

        Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

        Самое читаемое