Удаленные искусственные атомы кооперируются, разделяя свет

Международная группа ученых впервые показала, что атомы, разделяя свет, могут работать кооперативно, а не независимо друг от друга.

Квантовые физики уже давно обсуждают такой эффект, но прежде он экспериментально не наблюдался. В состав группы входили ученые из Цюрихского ETH, где проводился эксперимент, и теоретики из Шербрукского университета в Квебеке и Университета Калгари.

Исследователи показали, что разделение света, или «взаимодействие, опосредованное фотонами», между искусственными атомами ограничивается (confined) одномерной квантовой системой.

«Это малозаметный эффект обсуждался на протяжении десятилетий, и мы обнаружили отличное соответствие между теорией и экспериментом», - сказал Барри Сандерс (Barry Sanders), научный сотрудник из отдела физики и астрономии.

Два искусственных атома «показали когерентное обменное взаимодействие, никогда не наблюдаемое ранее для дистанционно удаленных квантовых систем в открытой среде», отметил первый автор статьи Арьян ван Лоо (Arjan van Loo), аспирант из лаборатории квантовых устройств, ETH, Цюрих.

Реализация фундаментальных квантовых взаимодействий между отдельными квантовыми системами в одном измерении имеет решающее значение для построения квантовых устройств.

«Ожидается, что такие системы, как наша, будут полезными для маршрутизации квантовой информации по линиям квантовой связи (одномерным волноводам) на устройствах, используемых для обработки квантовой информации или квантовой связи», - сказал Андреас Уоллраф (Andreas Wallraff), профессор физики твердого тела из ETH.

Это исследование показывает, что «искусственные электрические схемы могут теперь быть спроектированы таким образом, чтобы проявить поведение невозможное в «естественных» квантовых системах», прокомментировал результаты экспериментов Александр Блайс (Alexandre Blais), адъюнкт-профессор физики в Университете Шербрука.

Создание искусственных атомов для коллективной работы может привести к управлению микроволновыми полями в сверхпроводящих цепях, в том числе к разработке способов защиты квантовой информации от «шума» или искажения сигнала.

Ключевое решение заключалось в том, чтобы сделать эксперимент в одном измерении, а не в трех, где взаимодействие между атомами является слабым и значительно уменьшается с расстоянием.

«В нашем эксперименте мы преодолели эти ограничения за счет специально спроектированных критических свойств наших искусственных квантовых систем», - сказал после завершения эксперимента соавтор Аркадий Федоров, научный сотрудник ETH, ныне руководитель группы в ARC Centre в Квинслендском университете в Австралии.

Исследователи заключили два искусственных атома в одном измерении с помощью волновода (по аналогии с ограничением света в оптическом волокне), что значительно улучшило возможности взаимодействия двух систем и позволило исследователям измерить это взаимодействие.

Используя сверхпроводящие цепи, команда смогла расположить два искусственных атома вдоль волновода, а затем отправить СВЧ-сигнал через этот одномерный волновод.

На расстоянии примерно двух сантиметров – гораздо большем, чем обычно ожидается для квантовых систем, – две атомоподобные системы образовали тип слабо связанной молекулы за счет обмена фотонами.

«Мы также наблюдали, как сверхпроводящие схемы либо синхронизировались для более эффективного излучения, либо образовывали ловушку и не испускали фотоны», - отметил проф. Уоллраф.

Для выполнения необходимых вычислений канадские теоретики использовали суперкомпьютер Mammouth, который является частью национальной высокопроизводительной вычислительной платформы, координируемой Compute Canada. Они «также много работали с экспериментаторами, чтобы понять физику явления на интуитивном уровне», - сказал соавтор статьи Кевин Лалюмьер (Kevin Lalumière), аспирант в Университете Шербрука.

Иллюстрация искусственных атомов, или кубитов вместе с одномерным «волноводом», или линией передачи

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365