Ученые Московского физико-технического института (МФТИ), Института физики твердых тел РАН и университета Роял Холлоуэй (Великобритания) обнаружили эффект квантового смешивания волн на искусственном атоме. Их исследование, опубликованное в ноябре в журнале Nature Communications, может помочь в разработке принципиально новых приборов квантовой электроники.
Физики из лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ под руководством профессора О. В. Астафьева и их британский коллега работали со сверхпроводящей квантовой системой, созданной в Институте физики твёрдого тела в Черноголовке. Физически такая система довольно громоздкая, но при этом она эквивалентна одиночному атому. Охлажденное до сверхнизких температур устройство может испускать и поглощать отдельные кванты микроволнового излучения точно так же, как отдельные атомы — кванты обычного света.
«Искусственные атомы» хороши для ученых тем, что настоящий атом излучает свет в произвольном направлении, а искусственный светит в заданную сторону. Эта особенность и позволила физикам зафиксировать процесс квантового смешивания волн.
Как считают авторы исследования, открыть этот эффект ранее не удавалось потому, что его можно заметить только при наблюдениях за одиночными квантовыми объектами.
- В данной работе мы экспериментально продемонстрировали необычные эффекты при смешивании волн гигагерцевого диапазона на одиночном искусственном атоме. В эксперименте изучался кубит, сильно связанный с распространяющимся в линии электромагнитным полем, и мы смогли пронаблюдать смешивание квантового состояния света, приготовленного в кубите, и когерентного света в линии, рассказал один из авторов исследования, аспирант МФТИ А.Ю. Дмитриев.
Иными словами, «искусственный атом» из Черноголовки одновременно был кубитом - базовым блоком памяти квантовых компьютеров, и новый эффект был обнаружен, когда физики работали с ним как с компьютерным кубитом. От обычных компьютеров квантовые отличаются устройством памяти. Если ячейка обычной памяти хранит либо ноль, либо единицу, кубит при попытке считать его состояние оказывается с равной вероятностью и нолем, и единицей, пребывая как бы между этими состояниями до момента обращения (физики это называют суперпозицией, то есть наложением состояний). В итоге можно работать сразу со всеми состояниями системы из двух, трёх, десяти, ста и т. д. кубитов. При этом скорость и вычислительная мощность такого квантового компьютера будет расти экспоненциально.
Пока квантовые компьютеры находятся в стадии разработки, но сегодня это направление одно из самых актуальных. Такие компьютеры смогут решать задачи большой вычислительной сложности. Кроме того, квантовый сигнал нельзя перехватить так, чтобы адресат не узнал, что сигнал перехвачен. Квантовые эффекты уже используются в защищенных каналах связи.