Fysiker från Moskvas institut för fysik och teknik (MIPT) och Royal Holloway, University of London, har visat en effekt som kallas kvantvågsblandning på en konstgjord atom. Deras resultat, publiceras i tidskriften Naturkommunikation , skulle kunna bidra till att utveckla kvantelektronik av ett helt nytt slag.

Forskare från MIPT:s laboratorium för artificiella kvantsystem under ledning av professor Oleg Astafiev slog sig samman med sina brittiska kollegor för att undersöka ett supraledande kvantsystem, vilket är fysiskt likvärdigt med en enda atom. Kyld till ultralåga temperaturer, den här enheten utsände och absorberade en enda kvanta av mikrovågsstrålning - på samma sätt som en atom interagerar med fotoner av ljus.

Konstgjorda atomer, som är kärnan i denna studie, är en stapelvara i kvantoptikexperiment. Fysiker använder dessa system för att undersöka processer som annars är svåra att studera, såsom emission och absorption av flera fotoner. Medan en verklig atom i en spegelkavitet avger ljus i en godtycklig riktning, ett supraledande system strålar ut på ett kontrollerat sätt. Detta gjorde det möjligt för författarna att detektera spridningen av flera ljuskvanter på en konstgjord atom, eller vågblandning.

I utgången av systemet som beskrivs ovan, forskarna observerade både källstrålning och elektromagnetiska vågor till följd av dess interaktion med den konstgjorda atomen. Frekvenserna för dessa vågor bestämdes av arten av den involverade excitationen. Detta pekade på effekten av kvantvågsblandning, som inte tidigare observerats i system av detta slag.

Attraktionskraften hos supraledande system går utöver deras förmåga att avslöja olika kvantoptiska effekter. Enligt författarna till tidningen, den konstgjorda atomen fungerar som en qubit – det grundläggande elementet i en kvantdator. Qubits möjliggör beräkningar med hjälp av grundläggande informationsenheter som skiljer sig från konventionella bitar. Medan en klassisk minnescell lagrar antingen en etta eller en nolla, dess kvantanalog - qubit - kan vara i båda tillstånden samtidigt på grund av en princip som kallas superposition.

"Vårt papper rapporterar resultaten av ett experiment som visar ovanliga vågblandningseffekter på en enda artificiell atom i gigahertz-frekvensområdet. Vi undersökte en qubit starkt kopplad till det elektromagnetiska fältet i transmissionslinjen och observerade blandningen av det fotoniska kvanttillståndet framställt i qubiten med den för det koherenta ljuset i transmissionsledningen, " säger MIPT doktorand Aleksei Dmitriev, en av författarna till studien. Fysikerna påpekar att den observerade effekten erbjuder ett sätt att visualisera kvanttillståndsstatistiken för källfotoner. Detta kan hitta tillämpningar inom kvantberäkning, som har vuxit fram som ett hett forskningsfält de senaste åren.

Kvantdatorer är baserade på föreställningen att ett kvantobjekt kan vara i flera tillstånd samtidigt. Denna egenskap tillåter att kvantalgoritmer implementeras, göra det möjligt för forskare att tackla problem som är praktiskt taget omöjliga att lösa inom en rimlig tidsram med klassiska metoder. Dessutom, kvanteffekter används redan i säkra dataöverföringskanaler som gör det omöjligt att fånga upp information utan att avsändaren och mottagaren vet.