Группа ученых из России и Великобритании впервые представила теоретическое описание эффекта квантового волнового смешения, в котором присутствуют как классические, так и неклассические состояния микроволнового излучения. Этот эффект, который до сих пор не имел строгого математического описания, может быть использован при исследовании взаимодействий между светом и материей в квантовых вычислениях и фундаментальной физике.
Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review A.
«Мы аналитически описали весьма необычное явление — смешение классических световых волн с неклассическими, в частности со сжатым светом и „полуфотонным“ импульсом. Данная работа продолжает и развивает более ранние исследования нашего коллектива по разработке однофотонного микроволнового источника и генерации квантовой суперпозиции одного и нуля фотонов, то есть созданию того самого полуфотонного состояния», — рассказывает руководитель исследования, сотрудник Сколтеха, МФТИ, Лондонского университета и Национальной физической лаборатории Великобритании Олег Астафьев. Большой вклад в эту работу внесли первый автор статьи, научный сотрудник Всероссийского научно-исследовательского института автоматики им. Н. Л. Духова и Института теоретической и прикладной электродинамики РАН, физик-теоретик Вальтер Погосов и сотрудник МФТИ, экспериментатор Алексей Дмитриев.
Цель данной работы — теоретическое обоснование как проведенных ранее, так и вновь предлагаемых экспериментов с искусственными атомами, микроскопическими устройствами, для которых характерно основополагающее свойство атомов химических элементов — квантование уровней энергии.
Свойства искусственных атомов делают их полезными в двух классах задач. Во-первых, они могут выполнять функцию кубитов — элементов квантового компьютера. В настоящее время эта тема весьма актуальна, но кроме того, физики используют искусственные атомы для исследования фундаментальных законов природы, по которым «живет» квантовый мир. Преимущество искусственных атомов — наличие квантовых свойств в сочетании с удобством их использования в экспериментах: такой «атом» можно разместить на микросхеме и подключить к другим элементам схемы и внешней среде.
Схема эксперимента. Источник: Олег Астафьев/Сколтех
В квантовой оптике искусственные атомы можно использовать в качестве платформы для исследования взаимодействия света и материи. В своей предыдущей работе ученые представили однофотонный микроволновый источник, который по запросу генерирует импульсы электромагнитного излучения, содержащие всего одну частицу света. Устройство работает в микроволновом диапазоне, то есть речь не о фотонах видимого спектра (цвета радуги), а об излучении как в микроволновой печи, и распространяются такие фотоны не по оптическому кабелю, а по металлическим волноводам. При этом законы оптики остаются в силе: микроволновые фотоны — те же фотоны, только с гораздо бо́льшей длиной волны и меньшей энергией, чем у видимого света.
Авторы провели теоретическое исследование, в котором изучали так называемый эффект волнового смешения. Ранее тот же эффект ученые исследовали для случая классического светового излучения: два периодически повторяемых световых импульса, излучаемых на различных, но близких друг к другу частотах, движутся вместе и рассеиваются на искусственном атоме. Для этого сценария ученые получили схему распределения вероятностей обнаружения фотонов разных частот:
Спектральные компоненты в случае облучения кубита двумя когерентными волнами, то есть смешения только классического света. По горизонтальной оси — частота электромагнитного излучения, на которой регистрируются фотоны. По вертикальной оси — логарифмическая амплитуда, которая является мерой вероятности наблюдения микроволнового фотона на соответствующей частоте. Источник: Вальтер Погосов и др./Physical Review A
Как можно было ожидать, два максимума посередине соответствуют вероятностям обнаружения фотонов на частотах излучения двух исходных световых импульсов. Спецификой эффекта волнового смешения обусловлены максимумы на других частотах: они отражают результат многофотонного рассеяния, и высота пика является количественной оценкой вероятности соответствующего многофотонного процесса.
Исследователи не ограничились наблюдением необычного эффекта смешения классических волн и решили проверить, что произойдет, если один из двух исходных импульсов заменить на неклассический световой. В частности, исследователи рассмотрели случай со сжатым светом и «полуфотонным» импульсом. Это необычное состояние света, которое было получено учеными ранее с помощью однофотонного источника микроволнового излучения, представляет собой суперпозицию одного — нуля фотонов. Идеальный детектор в 50% случаев идентифицирует такую волну как одиночный фотон, в остальных же 50% случаев — как ноль фотонов (вакуум), что вполне логично. С точки зрения квантовой физики.
На следующем рисунке показан спектр, отражающий статистическое распределение частот фотонов в случае квантового смешения классического светового и необычного полуфотонного импульсов. Сразу бросается в глаза асимметрия боковых пиков:
Спектральные компоненты в случае облучения кубита когерентной волной и светом в состоянии суперпозиции одного и нуля фотонов. По горизонтальной оси — частота электромагнитного излучения, на которой регистрируются фотоны. По вертикальной оси — логарифмическая амплитуда, которая является мерой вероятности наблюдения микроволнового фотона на соответствующей частоте. Источник: Вальтер Погосов и др./Physical Review A
В отличие от классического волнового смешения, спектр является квантованным и имеют место строго три пика. Крайний левый пик соответствует статистике фотонов в состоянии «0 — 1»: в состоянии суперпозиции одного — нуля фотонов может находиться только один фотон. Остальные пики в принципе невозможны, так как многофотонные состояния в импульсе отсутствуют.
Таким образом, в посвященной феномену волнового смешения статье в Physical Review A впервые представлено теоретическое описание взаимодействий с участием неклассического полуфотонного импульса. В настоящее время ученые проводят эксперименты с источником фотонов и рассеивателем микроволнового излучения для подтверждения теоретических результатов. Подобные исследования позволяют не только глубже понять тонкости квантового поведения света, но и пополнить комплекс знаний, которые создатели квантовых компьютеров используют в своей работе.
*****
Сколтех — негосударственный международный университет. Созданный в 2011 году в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом (MIT), Сколтех готовит новое поколение лидеров в области науки, технологий и бизнеса, проводит исследования в прорывных областях и содействует технологическим инновациям с целью решения важнейших проблем, стоящих перед Россией и миром. Сколтех развивает шесть приоритетов: наука о данных и искусственный интеллект, науки о жизни и здоровье, современные методы проектирования и перспективные материалы, энергоэффективность, фотоника и квантовые технологии, перспективные исследования. Усилия Сколтеха призваны способствовать укреплению технологического превосходства России в приоритетных направлениях. Сайт: https://www.skoltech.ru/.
Московский физико-технический институт, основанный в 1946 г., — ведущий российский вуз, который входит в основные рейтинги лучших университетов мира. МФТИ предлагает образовательные программы и присуждает степени в области фундаментальной и прикладной физики, математики, информатики и вычислительной техники, химии, биологии и других естественных и точных наук. Сайт: https://mipt.ru/.
