Реализовано сверхсильное взаимодействие между светом и материей

Важную роль при разработке квантовых компьютеров играет сильная связь между квантовым битом и фотоном. Проф. Рудольф Гросс (Rudolf Gross) из Мюнхенского технического университета (TUM) вместе с коллегами получил очень сильное взаимодействие между светом и материей, что может представлять первый шаг в этом направлении.

Взаимодействие света с материей представляет один из наиболее фундаментальных процессов в физике, а понимание взаимодействия между фотонами и атомами является решающим для разработки квантового компьютера.

Физики из TUM, Института низких температур им. Вальтера Мейсснера при Академии наук Баварии (WMI) и Университета Аугсбурга совместно с партнерами из Испании реализовали сверхсильное взаимодействие между микроволновыми фотонами и атомами в наноструктурной схеме. Полученное взаимодействие было в 10 раз сильнее, чем наблюдалось ранее для подобных систем.

Простейшей системой для исследования взаимодействия между светом и материей служит так называемый объемный резонатор, внутри которого имеется точно один фотон и точно один атом. Но так как взаимодействие было очень слабым, эти эксперименты были очень сложными. Намного более сильное взаимодействие можно получить с наноструктурной схемой, в которой металлы, подобные алюминию, становятся сверхпроводниками при низких температурах. При правильной конфигурации миллиарды атомов в сверхпроводнике толщиной нанометры ведут себя подобно одному искусственному атому и подчиняются законам квантовой механики. В простейшем случае получается система с двумя уровнями энергии, т.е. кубит.

Чтобы осуществить измерения проф. Гросс и его коллеги захватили фотон в резонатор. Он содержал полоску сверхпроводящего ниобия со встроенными на обоих концах «зеркалами», сильно отражающими микроволны. В этом резонаторе искусственный атом, сделанный из алюминиевой цепи, позиционируется таким образом, чтобы его взаимодействие с фотоном было максимальным. Исследователи получили сверхсильное взаимодействие, добавив в цепь другой сверхпроводящий компонент – переход Джозефсона.

Изображение сверхпроводящей цепи под электронным микроскопом (красный: алюминиевый кубит; серый: ниобиевый резонатор; зеленый: кремниевая подложка)