Ученые создали гигантские искусственные атомы

Из сверхпроводящих кубитов можно создать два гигантских искусственных атома и поместить их в общий волновод. Такие атомы защищены от излучательного распада и могут связываться друг с другом. Квантовая константа связи будет достаточно сильной, что позволяет запутать эти атомы, или другими словами, реализовать двухкубитную логическую операцию. Это удалось сделать ученым из MIT, о чем сообщается в препринте на arXiv.org

Квантовая оптика изучает, как квантовые объекты взаимодействуют со классическими или квантовыми электромагнитными волнами — проще говоря, со светом. Квантовая оптика — довольно устоявшаяся область физики и насчитывает около 60 лет исследований. В рамках этой теории, большой интерес для физиков представляет появление и развитие совершенно новой идеи, которая ранее экспериментально не изучалась. Речь идет о так называемых гигантских атомах. Они способны взаимодействовать с удаленными друг от друга точками электромагнитной волны, колебания в которых значительно отличаются по фазе.

Атомы любого химического элемента, с которыми обычно работает квантовая оптика, имеют вполне определенный радиус. Как правило, он примерно равен 10^-10 метров. Длина волны света, частота которого соответствует одному из атомных переходов (или проще — резонансного света) обычно попадает в диапазон 10^-6-10^-7 метров. Будучи в 1000 раз меньше длины волны, атом может рассматриваться как точечный объект, и физические процессы взаимодействия атома с полем излучения определяются значением поля в одной точке, имеющей координаты атома (и возможно, меняющей свое положение). Это допущение известно как дипольное приближение, и до недавнего времени оно практически не знало исключений, в том числе оставаясь справедливым и для ридберговских атомов.

Искусственным атомом называют любую квантовую систему, например, квантовую точку или сверхпроводящий кубит, если она связывается с модами излучения в волноводе или резонаторе. Квантово-оптические явления на таких системах крайне необычны, поскольку константа связи между кубитом и полем g гораздо больше, чем для случая «природных» атомов. Сверхпроводящие кубиты помогли контролируемо создавать N-фотонные состояния и даже генерировать произвольные квантовые состояния света в микроволновом резонаторе, что до сих пор не удавалось сделать на других системах.

Ситуация с дипольным приближением радикально меняется, если речь идет не о «природных», а об искусственных атомах. Впервые это стало актуальным после успешных реализаций сверхпроводниковых кубитов, связанных не с электромагнитной волной, а с поверхностной акустической волной (ПАВ) на поверхности пьезоэлектрика. Ранее мы писали о том, как российские физики под руководством Олега Астафьева впервые резонансно связали сверхпроводящий кубит и ПАВ-резонатор в квантовом режиме. Фазовая скорость ПАВ на 5-6 порядков меньше скорости света. Поэтому для типичных кубитов с частотами 5-10 гигагерц и размерами порядка сотен мкм оказывается, что длина ПАВ на частоте кубитов равна 10^-7 метров, и дипольное приближение грубо нарушается. Более того, мы имеем дело с обратной ситуацией: размер атома на порядки больше, чем длина резонансной ПАВ. Уместно поэтому назвать такой атом гигантским.

Теоретики быстро выяснили, что в отличие от точечных атомов, возбужденные состояния гигантских атомов могут неэкспоненциально распадаться. Также рассчитано, что взаимодействие нескольких гигантских атомов в волноводе не будет страдать из-за декогеренции, вызванной наличием волновода в качестве диссипативного канала. Однако, экспериментальное исследование сильно затруднялось сложностью изготовления высокодобротного ПАВ-резонатора. Для исследования квантовой динамики связанных гигантских атомов необходимо было перейти к электромагнитным волнам, которые могут напрямую усиливаться и детектироваться при помощи СВЧ-электроникой, не требуя высококачественных акустоэлектрических преобразователей.

Ученые из MIT под руководством Симона Густавсона (Simon Gustavson) и Вильяма Оливера (William Oliver) смогли изготовить два искусственных атома (сверхпроводящих кубита), которые связывались к разнесенным в пространстве точкам копланарного электромагнитного волновода. Физический размер этих атомов значительно меньше длины волны, но копланарный волновод на чипе может 2-3 раза подходить к атому, таким образом фактически атомы является гигантскими.

Вначале исследовалась пара атомов, каждый из которых связан с волноводом в двух точках. Первый этап состоял в измерении скорости релаксации отдельных кубитов в зависимости от частоты. Перестройка частоты меняла оптическую длину участков волновода между различными точками связи с кубитами, поэтому удалось уменьшить релаксацию на порядок по сравнению с точечными атомами в волноводе при аналогичном значении константы связи к волноводу.

Второй этап заключался в измерении связи между кубитами в зависимости от их частоты. Измерения показали, что связь меняется в соответствии с расчетами, однако, диапазон изменения недостаточно широк для того, чтоб связь выключалась полностью. Возможность уменьшить связь до нуля — крайне полезное свойство, которое требуется для повышения качества квантовых операций. Для этого физики изготовили еще одно устройство, в котором каждый из атомов связывался с волноводом в 3 различных точках.

Измененная геометрия позволила как выключать связь, так и перестраивать каждый из кубитов в точку, где не происходит радиационного распада в волновод и декогеренции квантового состояния. Поскольку частоты кубитов можно менять на масштабе наносекунд, то В результате удалось сделать операцию √(iSWAP), что означает перевод кубитов из состояния |01〉 в состояние (|10〉-i|01〉)/√2, матрица плотности которого восстанавливалась при помощи метода максимального правдоподобия. В таком состоянии кубиты оказываются запутанными. Операция проводилась при эффективной связи g = 735 килогерц, а эффективность операции составила 94 процента. Результаты данной работы создают основу для развития волноводной квантовой электродинамики.