Исследователи из лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ под руководством профессора Олега Астафьева и их британские коллеги работали со сверхпроводящей квантовой системой, физически эквивалентной одиночному атому. Охлаждённое до сверхнизких температур устройство могло испускать и поглощать отдельные кванты микроволнового излучения точно так же, как отдельные атомы взаимодействуют с квантами видимого света.
«Искусственные атомы», которые изучали учёные, активно используются в экспериментах по квантовой оптике. Благодаря таким системам физики могут изучать процессы, которые сложно исследовать другими способами — например, испускание и поглощение отдельных фотонов. Если настоящий атом в зеркальной полости излучает свет в произвольном направлении, то сверхпроводящая система, напротив, светит в заданную сторону. Эта особенность позволила группе физиков зафиксировать процессы рассеяния нескольких квантов света на искусственном атоме — смешивание волн.
При наблюдении за указанной системой учёные увидели на выходе как исходное излучение, так и электромагнитные волны, получившиеся в результате взаимодействия с искусственным атомом, частоты которых зависели от характера возбуждения системы. Это указывало на квантовое смешивание волн — эффект, наблюдать который ранее на подобных системах не удавалось.
Интерес к сверхпроводящей системе, то есть искусственному атому, не ограничивается возможностью наблюдать ряд эффектов квантовой оптики. По словам авторов, этот «атом» является также кубитом, базовым блоком квантовых компьютеров. Кубиты являются основой для вычислений, использующих вместо классических битов, элементарных единиц информации, квантовые. Обычная вычислительная ячейка хранит либо 0, либо 1, а кубит способен находиться как бы одновременно и в нуле, и в единице — физики в таком случае говорят о суперпозиции состояний.
«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 Алексей Дмитриев, аспирант МФТИ и один из авторов исследования. Физики указывают, что обнаруженный эффект представляет собой «отпечаток» фотонной статистики исходного квантового состояния. Это может найти применение в квантовых вычислительных системах, которые активно развиваются в последние годы.
Квантовые вычислительные системы используют упомянутую выше возможность нахождения квантового объекта одновременно в нескольких состояниях. В ряде случаев такая особенность позволяет внедрить специальные квантовые алгоритмы для решения тех задач, которые практически невозможно решить классическими методами за мало-мальски разумное время. Кроме того, квантовые эффекты уже используются в защищённых каналах связи, перехватить данные из которых без ведома отправителя и получателя принципиально невозможно.
Описание эксперимента опубликовано в журнале Nature Communications.