Физики из России доказали, что взаимодействия одиночных частиц света со сверхпроводящими кубитами можно использовать для полноценного считывания их состояния и отслеживания перемен в их свойствах, что в перспективе позволит значительным образом упростить архитектуру квантовых интегральных схем на базе подобных вычислительных блоков. Работа поддержана грантом Российского научного фонда и опубликована в журнале Physical Review Letters.
Данное исследование иллюстрирует возможность считывания одиночных сверхпроводниковых кубитов без дополнительных резонаторов, которые обычно используются в сверхпроводниковых многокубитных системах. Такой подход в перспективе способствует уменьшению количества квантовых объектов на чипе, что, в конечном счёте, может значительно упростить архитектуру квантовых интегральных схем.
К такому выводу пришла группа российских физиков под руководством профессора МФТИ Олега Астафьева при изучении взаимодействий между одиночными частицами света и разработанными в России сверхпроводящими квантовыми битами, которые представляют собой искусственный аналог атома. Исследователей давно интересует, можно ли использовать одиночные фотоны для считывания квантового состояния этого искусственного атома.
Интерес физиков к взаимодействиям света и этих рукотворных подобий атомов связан с тем, что они в перспективе позволят отказаться от использования сложно устроенных микроволновых резонаторов, которые используются для считывания и управления работой кубитов в сверхпроводящих квантовых компьютерах. Для этого, однако, необходимо всесторонне изучить то, как фотоны взаимодействуют с кубитами и к каким последствиям приводит процесс поглощения и повторного излучения частицы света.
Руководствуясь подобными соображениями, российские физики создали сверхпроводниковый кубит и связали его с волноводом таким образом, что наблюдения за движущимися через это устройство электромагнитными волнами позволило учёным проследить за тем, как меняется квантовое состояние искусственного атома. Эти опыты показали, что частицы света способны «считывать» всю информацию о том, как меняется квантовое состояние искусственного атома, чем можно пользоваться при разработке управляющих систем квантовых компьютеров.
«Мы показали, что прошедший мимо кубита импульс содержит в себе всю информацию об эволюции двухуровневого искусственного атома. Кроме того, мы продемонстрировали, что энергия импульса в точности уменьшается и увеличивается на один фотон благодаря сильному взаимодействию с атомом — точечным квантовым рассеивателем. Прямое наблюдение этих явлений затруднено из-за шумов, но в нашем опыте это стало возможным благодаря быстрой обработке большого массива экспериментальных данных», — подытожил научный сотрудник МФТИ Андрей Васенин.
