Fysikere blander bølger på superledende qubits

Fysikere fra Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT) og Royal Holloway, University of London, har vist en effekt kendt som kvantebølgeblanding på et kunstigt atom. Deres resultater, offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation , kunne hjælpe med at udvikle kvanteelektronik af en helt ny slags.

Forskere fra MIPT's Laboratory of Artificial Quantum Systems ledet af professor Oleg Astafiev gik sammen med deres britiske kolleger for at undersøge et superledende kvantesystem, som fysisk svarer til et enkelt atom. Afkølet til ultralave temperaturer, denne enhed udsendte og absorberede en enkelt mængde mikrobølgestråling - på samme måde som et atom interagerer med lysfotoner.

Kunstige atomer, som er kernen i denne undersøgelse, er en fast bestanddel af kvanteoptikeksperimenter. Fysikere bruger disse systemer til at undersøge de processer, der ellers er svære at studere, såsom emission og absorption af flere fotoner. Hvorimod et rigtigt atom i et spejlhulrum udsender lys i en vilkårlig retning, et superledende system udstråler på en kontrolleret måde. Dette gjorde det muligt for forfatterne at detektere spredningen af ​​flere lyskvanter på et kunstigt atom, eller bølgeblanding.

I outputtet af systemet beskrevet ovenfor, forskerne observerede både kildestråling og elektromagnetiske bølger som følge af dens interaktion med det kunstige atom. Frekvenserne af disse bølger blev bestemt af arten af ​​den involverede excitation. Dette pegede på effekten af ​​kvantebølgeblanding, som ikke tidligere var observeret i systemer af denne art.

Appellen ved superledende systemer går ud over deres evne til at afsløre forskellige kvanteoptiske effekter. Ifølge forfatterne af papiret, det kunstige atom fordobles som en qubit - det grundlæggende element i en kvantecomputer. Qubits muliggør beregninger ved hjælp af grundlæggende informationsenheder, der er forskellige fra konventionelle bits. Hvorimod en klassisk hukommelsescelle gemmer enten et et eller et nul, dens kvanteanalog - qubit - kan være i begge tilstande på samme tid på grund af et princip kendt som superposition.

"Vores papir rapporterer resultaterne af et eksperiment, der viser usædvanlige bølgeblandingseffekter på et enkelt kunstigt atom i gigahertz-frekvensområdet. Vi undersøgte en qubit stærkt koblet til det elektromagnetiske felt i transmissionslinjen og observerede blandingen af ​​den fotoniske kvantetilstand fremstillet i qubit med det kohærente lys i transmissionslinjen, " siger MIPT doktorand Aleksei Dmitriev, en af ​​forfatterne til undersøgelsen. Fysikerne påpeger, at den observerede effekt tilbyder en måde at visualisere kvantetilstandsstatistikken for kildefotoner. Dette kunne finde anvendelse i kvanteberegning, som er opstået som et varmt forskningsfelt i de senere år.

Kvantecomputere er baseret på forestillingen om, at et kvanteobjekt er i stand til at være i flere tilstande samtidigt. Denne egenskab gør det muligt at implementere kvantealgoritmer, gør det muligt for forskere at tackle problemer, der er praktisk talt umulige at løse inden for en rimelig tidsramme ved hjælp af klassiske metoder. Derudover kvanteeffekter bruges allerede i sikre datatransmissionskanaler, der gør det umuligt at opsnappe information, uden at afsender og modtager ved det.