Искусственный атом превратили в универсальный излучатель

Международная группа учёных, среди которых были исследователи из МФТИ, использовала сверхпроводящий кубит ("квантовый бит") в качестве источника одиночных фотонов микроволнового излучения. Новый источник может перестраивать частоту излучения "на лету" и обладает высокой эффективностью. Разработка пригодится для создания квантовых компьютеров и систем связи, а также в изучении взаимодействия между светом и веществом. Соответствующая статья опубликована в Nature Communications.

Однофотонные источники излучения могут "выстреливать" по одному фотону за раз и поэтому служат важным компонентом всех квантовых вычислительных систем. Единичный фотон невозможно перехватить, не изменив его состояние. Поэтому именно на них базируется и квантовая передача данных, в принципе защищённая от незаметного перехвата, и квантовые компьютеры, с помощью которых моделируют сложные квантово-механические системы.

Однако все существующие однофотонные системы имеют очень серьёзные ограничения, которые делают их практическое применение довольно затруднительным. Во-первых, однофотонные источники базируются на микрорезонаторах, размеры которых жёстко задают длину волны излучаемого ими фотона. Поскольку микрорезонатор один, он ограничивает длину волны излучателя одной фиксированной величиной: даже фотоны с очень близкой, но другой длиной волны от него уже не получить. Во-вторых, эффективность типичного однофотонного излучателя пока прискорбно мала. Вероятность испустить фотон "по заказу" за один рабочий цикл часто ниже 50 процентов.

Поэтому в новой работе учёные создали искусственный атом — кубит (квантовый бит), построенный из нескольких джозефсоновских контактов. Такой контакт состоит из двух сверхпроводников, разделённых тонким слоем диэлектрика. Носителями тока в сверхпроводнике выступают куперовские пары электронов. Они могут "просачиваться" (туннелировать) через тонкий слой диэлектрика, переводя этим кубит из возбуждённого состояния с большей энергией в основное, невозбуждённое, с меньшей энергией. Случаются и переходы в противоположную сторону.

Новый источник выполнен как кубит, расположенный между двух изолированных друг от друга этим кубитом волноводов. Волноводы называют так потому, что по ним распространяются электромагнитные волны (фотоны). Между кубитом и обеими волноводами находятся стыки проводников и изоляторов, которые создают два конденсатора. Поэтому кубит подключён к волноводам не напрямую, а через электрическую ёмкость конденсаторов. При работе кубита на него по входящему волноводу приходит управляющий сигнал. Он передаёт кубиту избыточную энергию, переводя его в возбуждённое, излучающее состояние. Из-за этого кубит испускает один фотон, который по исходящему волноводу уходит к последующим элементам схемы.

В этой схеме важно то, что кубит на джозефсоновских контактах легко контролируется магнитным полем. Достаточно перестроить внешнее магнитное поле, чтобы быстро изменить длину излучаемого фотона и, соответственно, частоту излучения. Новинка позволяет менять частоту в весьма широком диапазоне от 7,75 до 10,5 гигагерц. Эффективность источника, то есть вероятность испустить фотон в "исходящий" волновод, определяется ёмкостями между волноводами и кубитом. За счёт правильного подбора соотношения ёмкостей эффективность нового источника может достигнуть 99,99 процента, что куда выше теоретического предела для других однофотонных источников. Даже несмотря на то, что пока практически удалось добиться КПД лишь выше 65 процентов, речь всё равно идёт о рекордно высокой эффективности, к тому же в невиданно широком диапазоне частот.