Ученые Московского физико-технического института (МФТИ), Института физики твердых тел РАН и университета Роял Холлоуэй (Великобритания) обнаружили эффект квантового смешивания волн на искусственном атоме. Их исследование, опубликованное 7 ноября в журнале Nature Communications, может помочь в разработке принципиально новых приборов квантовой электроники.
Фото: МФТИ
Физики из лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ под руководством профессора Олега Астафьева и их британский коллега работали со сверхпроводящей квантовой системой, созданной в Институте физики твердого тела в Черноголовке. Физически такая система довольно громоздкая, но при этом она эквивалентна одиночному атому. Охлажденное до сверхнизких температур устройство может испускать и поглощать отдельные кванты микроволнового излучения точно так же, как отдельные атомы — кванты обычного света.
«Искусственные атомы» хороши для ученых тем, что настоящий атом излучает свет в произвольном направлении, а искусственный светит в заданную сторону. Эта особенность и позволила физикам зафиксировать процесс квантового смешивания волн. Очень приблизительно говоря, искусственный атом испускал не две, а три или четыре частицы света: как исходное излучение, так и волны, частоты которых зависели от параметров возбуждения искусственного атома.
Как считают авторы исследования, открыть этот эффект ранее не удавалось потому, что его можно заметить только при наблюдениях за одиночными квантовыми объектами. «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 один из авторов исследования, аспирант МФТИ Алексей Дмитриев.
Иными словами, «искусственный атом» из Черноголовки одновременно был кубитом — базовым блоком памяти квантовых компьютеров, и новый эффект был обнаружен, когда физики работали с ним как с компьютерным кубитом. От обычных компьютеров квантовые отличаются устройством памяти. Если ячейка обычной памяти хранит либо ноль, либо единицу, кубит при попытке считать его состояние оказывается с равной вероятностью и нолем, и единицей, пребывая как бы между этими состояниями до момента обращения (физики это называют суперпозицией, то есть наложением состояний). В итоге можно работать сразу со всеми состояниями системы из двух, трех, десяти, ста и т. д. кубитов. При этом скорость и вычислительная мощность такого квантового компьютера будет расти экспоненциально.
Пока квантовые компьютеры находятся в стадии разработки, но сегодня это направление одно из самых актуальных. Ведь такие компьютеры смогут решать задачи большой вычислительной сложности, какие сегодня невозможно решить за мало-мальски разумное время. Кроме того, квантовый сигнал нельзя перехватить так, чтобы адресат не узнал, что сигнал перехвачен. Квантовые эффекты уже используются в защищенных каналах связи.
На этом фоне открытый физиками МФТИ новый эффект квантового смешивания волн в кубите открывает новые возможности и новые направления разработки принципиально новых компонентов квантовых компьютеров и других устройств, в работе которых применяются квантовые эффекты. «Уже сейчас можно сказать, что данное свойство искусственных атомов можно использовать для создания новых видов квантовой микроэлектроники»,— считает профессор Астафьев.
Дмитрий Воронин