Физики впервые наблюдали квантовый скачок в макроскопической системе.
Редакция ПМ

Схема экспериментальной установки A. Фотоны (черная стрелка) через входной порт и СВЧ-циркулятор направляются на гибридный ответвитель (с фазовым сдвигом 180◦), который преобразует несимметричный СВЧ-сигнал в дифференциальный. Фотоны взаимодействуют с исследуемой системой (СВЧ-резонатор + кубит), и измененный сигнал (фиолетовые стрелки) несет информацию о состоянии системы через три циркулятора, которые отделяют резонатор и кубит от усилителя. Направленный ответвитель объединяет этот сигнал с фотонами накачки (зеленая стрелка). Усиленный с помощью нелинейного резонатора сигнал (красные стрелки) отражается и направляется через циркулятор в выходной порт. В дальнейшем сигнал может быть преобразован в цифровые данные. Б. Система «резонатор + кубит». Масштабный отрезок — 100 мкм (основной вид) и 10 мкм (подробный). В. Усилитель сигнала. Масштабный отрезок 100 мкм (основной вид) и 5 мкм (подробный).
Статистические данные Сигнал, соответствующий возбужденному состоянию (около 0.6 В) явно отделен от сигнала основного состояния (около -0.3 В).

Одна из определяющих характеристик квантовых объектов — их способность переходить из возбужденного состояния в основное, минуя любые промежуточные точки. С проявлениями квантовых переходов мы сталкиваемся повсеместно: например, вся современная химия — фактически наука квантовых скачков.

Но если заметить последствия квантовых скачков нетрудно, то поймать это явление «в действии» — гораздо более сложная задача. В последние годы физикам удалось пронаблюдать то, как фотоны, электроны, захваченные в ловушки ионы, атомы и даже некоторые молекулы совершают квантовые прыжки. Это было трудно, но возможно. Но увидеть скачок макроскопического объекта с одного энергетического уровня на другой ранее не удавалось. И дело не в отсутствии квантовых явлений в макромире (вспомнить хотя бы сверхпроводимость). Ситуация изменилась благодаря работе Раямани Виджаярагхавана (Rajamani Vijayaraghavan) из Университета штата Калифорния и его коллег.

В качестве объекта наблюдения выступал сверхпроводящий кубит, объединенный с СВЧ-резонатором. Кубит фактически играл роль элемента сверхпроводящей цепи, в которой электрический ток в одном направлении может, например, представлять 0, а в обратном — 1.

Физики могут судить о состоянии системы, облучая кубит в резонаторе микроволоновыми фотонами. В результате взаимодействия с кубитом изменяются свойства фотонов, такие как их фаза, и эти изменения могут быть зафиксированы на выходе из резонатора. Проблема в том, что для наблюдения квантового скачка необходимо «завесить» эти фотоны вокруг кубита на микросекунду или около того. Но шустрые фотоны успевают покинуть резонатор гораздо раньше.

Решение, найденное группой Виджаярагхавана — разработка такого резонатора, который удерживает фотоны «при деле» достаточно долго, чтобы наблюдать скачок. Исследователи утверждают, что это «первое наблюдение квантовых скачков в макроскопической системе». Под «макроскопической системой» они подразумевают сверхпроводящую цепь размером около 10 микрометров в поперечнике — это примерно равно величине красных кровяных телец.

Эти результаты могут иметь обширное практическое применение. Возможность напрямую контролировать переходы кубитов из одного состояния в другое позволят разработать технологию коррекции ошибок квантовых вычислений. Кроме того, по словам Виджаярагхавана, идеи ученых могут быть легко применены к другим квантовым системам: «Наша технология может быть интегрирована в гибридные системы, использующие молекулярные магниты, азото-замещенные вакансии в алмазе или полупроводниковые квантовые точки».

По сообщению Technology Review

Понравилась статья?
Самые интересные новости из мира науки: свежие открытия, фотографии и невероятные факты у вас на почте.
Спасибо.
Мы отправили на ваш email письмо с подтверждением.