El mundo de la tecnología cuántica es tan rico y confuso como la historia de toda una civilización. Algunos descubrimientos en esta área pueden sorprendernos, otros introducen un estado de estupor intelectual. Y todo porque el mundo cuántico vive de acuerdo con sus propias leyes, y a menudo no le importa la física clásica. Estamos acostumbrados a asociar la palabra "cuántica" con cálculos que se pueden hacer más rápido y más. Sin embargo, esto está lejos de ser la única aplicación de la tecnología cuántica. Hoy, veremos un estudio en el que la mecánica cuántica permitió a los científicos crear una arquitectura que se puede utilizar para manipular un resonador de radiofrecuencia a nivel cuántico. Suena simple, pero de hecho, lograr esto estuvo plagado de una serie de "rompecabezas". Los científicos utilizaron exactamente los aspectos de las ciencias cuánticas, cómo se dieron cuenta de ellos y qué fue exactamente lo que aprendimos del informe del grupo de investigación. Vamos
Base de estudio
En primer lugar, los científicos se hacen la pregunta: ¿cuál es el campo más débil en la mecánica cuántica? La respuesta es fotón único. Y, al parecer, la detección y manipulación de un solo fotón no debería ser una tarea difícil. Sin embargo, a frecuencias de megahercios esto es bastante problemático debido al hecho de que hay fluctuaciones térmicas significativas incluso a temperaturas criogénicas.
En este estudio, los científicos utilizaron un qubit superconductor de gigahercios para observar directamente la cuantificación de un campo electromagnético de radiofrecuencia de megahercios. El uso de un qubit le permite a uno obtener control sobre la radiación térmica, enfriar al estado mecánico cuántico del suelo y estabilizar
el estado Fock * del fotón.
El estado Fock * es un estado en la mecánica cuántica cuando el número de partículas se determina con precisión.
El problema de la "interferencia" térmica durante las manipulaciones con fotones individuales se vuelve mucho más notable a bajas frecuencias. La ocurrencia accidental y la aniquilación de fotones debido a un medio caliente causa
decoherencia * . Y esto lleva a la formación de una combinación de estados aleatorios, de los cuales es difícil aislar el estado cuántico.
La decoherencia * es un proceso de violación de la coordinación de los procesos vibracionales / ondulatorios (coherencia) debido a la interacción de un sistema mecánico cuántico y el medio ambiente.
Es lógico que se pueda resolver un problema similar utilizando sistemas más fríos para extraer la entropía creada por el entorno. En la práctica, esta solución se llama depósito térmico.
Los científicos han aplicado la tecnología de yacimientos en su esquema electrodinámico cuántico, lo que les permitió enfriar y manipular eficientemente los campos electromagnéticos a nivel cuántico.
En su estudio, los científicos pudieron obtener el control de un resonador de fotones de megahercios excitado térmicamente, lo que permitió observar la cuantificación de los campos electromagnéticos de radiofrecuencia. Y la manipulación del estado cuántico se logró a través de depósitos. Los científicos también lograron estabilizar los estados de un solo fotón y dos fotones de Fock.
En el corazón de todo se encuentra la lectura y el control del resonador a través del acoplamiento de dispersión de los fotones del resonador y el qubit superconductor. Sin embargo, cuando hay un qubit de gigahercios y un fotón de megahercios, la conexión (conexión) entre ellos en el esquema electrodinámico cuántico tradicional será extremadamente débil. Pero los científicos también superaron este obstáculo al proponer un nuevo método de conexión.
Resultados de la investigación
Imagen No. 1A través del esquema creado por los científicos, surge una conexión muy fuerte entre el qubit y el fotón (
1A ). El diagrama consta, entre otros, de los siguientes elementos:
L
J - Contacto de Josephson, 41 nH (nanogenry);
C
L - condensador, 11 pF (picofaradio);
L - inductor espiral, 28 nH.
A bajas frecuencias, la
capacitancia parásita * del inductor espiral es insignificante, y para el circuito alternativo (
1B ), la frecuencia de la primera transición será igual a ω
L = 2π x 173 MHz. Si hay frecuencias de gigahercios, CL se convierte en un cortocircuito y la capacitancia del inductor en espiral C
H = 40 fF (femtofaradios). En este caso, la conexión en paralelo (
1C ) L
J , L y C
H tiene una primera frecuencia de transición de 2π x 5.91 GHz. Esta configuración de los circuitos permite que ambos modelos compartan el contacto de Josephson.
La capacitancia espuria * es un acoplamiento capacitivo indeseable que se produce entre elementos de un circuito electrónico (en este caso, electrodinámico).
Este contacto tiene una inductancia, que varía según las oscilaciones de la corriente que lo atraviesa. En vista de esto, la frecuencia resonante del modo de alta frecuencia (HF) se cambia de acuerdo con el número de excitaciones en el modo de baja frecuencia (LF) y viceversa.
Tal interacción cruzada con Kerr se determina cuantitativamente por el número de desplazamientos por 1 fotón: x = 2√A
H A
L , donde la
anarmonicidad * HF y los modos LF es igual a A
L = h x 495 kHz y A
H = h x 192 MHz.
Anharmonicity * : desviación del sistema del oscilador armónico.
La interacción Cross-Kerr se manifiesta como una división del número de fotones en la reflexión de microondas medida S
11 .
Como se puede ver en el gráfico
1D , debido a la fuerte interacción cruzada de Kerr, las oscilaciones cuánticas del estado del fotón Fock (| 0⟩, | 1⟩, | 2⟩ ...) en la cavidad conducen a un cambio en la frecuencia de la transición qubit.
Los estados propios del sistema se marcaron como | j, n⟩, donde j = g, e, f, ... es la excitación del modo de alta frecuencia, y n = 0, 1, 2 ... es el modo de baja frecuencia.
La amplitud de los picos
n es proporcional a P
n a ext /
k n , donde P
n es la posición del número de fotones en el modo de baja frecuencia, y
a ext /
k n es la diferencia entre la conexión externa
a ext / 2π = 1.6 MHz y el ancho
a n en el pico
n . De acuerdo con la distribución de Bose-Einstein de las alturas máximas P
n , los científicos determinaron el número promedio de fotones
n th = 1.6, que corresponde a una temperatura de modo de 17 mK (milikelvin).
La estadística de Bose-Einstein * es la distribución de partículas idénticas con giro cero o entero sobre los niveles de energía en un estado de equilibrio termodinámico.
La resolución de los picos de fotones individuales se debe a la condición
de n ≪ x / ħ. En consecuencia, el ancho de los picos aumentará al aumentar
n :
k n =
k (1 + 4
n th (H)) + 2γ (
n + (1 + 2
n )
n th ). En esta fórmula,
k / 2π = 3.7 MHz es la disipación de modo de alta frecuencia, y γ / 2π = 23 kHz es la disipación de modo de baja frecuencia.
En este caso, la condición
para n ≪ A
H / ħ crea un transmon (qubit de carga superconductora) desde el modo de alta frecuencia. Esto permite activar selectivamente las transiciones | g,
n ⟩⟷ | e, n⟩ y | e,
n ⟩⟷ | f, n⟩.
Pero con el modo de baja frecuencia, todo es diferente. Su ancho de línea es de solo unos pocos MHz, debido a la restricción por parte de la expansión térmica, mucho más grande que A
L. Esto lo convierte en una especie de oscilador armónico.
La transición de partículas entre estados se llevó a cabo a través de la no linealidad del contacto bombeando el circuito a la frecuencia ωp. En este proceso, solo 4 fotones pueden interactuar a la vez, cuando se aniquila 1 fotón en la cavidad (modo de baja frecuencia) y ya se forman 2 fotones en el lado transmón.
Imagen No. 2Este método de bombeo, combinado con una gran diferencia en las frecuencias de relajación de modo, permite que la cavidad de megahercios se enfríe a su estado fundamental. El diagrama del proceso se muestra en
2A .
El enfriamiento solo ocurrirá si la velocidad de termalización del resonador es menor que la velocidad de transición de las excitaciones de | g, 1⟩ a | g, 0⟩. Hay una segunda opción de enfriamiento: a través de la transición | g, 1⟩⟷ | e, 0⟩. Sin embargo, este proceso es de dos fotones y, por lo tanto, requiere más potencia de bombeo.
La Figura 2B muestra mediciones de S
11 (respuesta de microondas) a diferentes niveles de potencia de la bomba de enfriamiento. Como vemos en este gráfico, el mejor resultado se logra cuando el nivel de población del estado fundamental es 0.82.
Si la población se utiliza en función de la
cooperatividad * , se verá que con una cooperatividad más alta (más fuerte), comenzará una fuerte disminución en el índice de población del estado fundamental. Por lo tanto, el proceso de enfriamiento será imposible en tal situación.
Cooperatividad * : cambios en el estado del sistema cuando la interacción entre sus elementos se intensifica con el curso del proceso de cambio de tal manera que acelera este proceso.
Los científicos señalan tres factores principales que limitan el enfriamiento y conducen a lo que vemos en el gráfico
2C : cuanto mayor es la cooperatividad, peores son las cosas con la población.
El primer factor es la población térmica del qubit. El intercambio transfiere la población de | g, 1⟩ a | f, 0⟩, pero el proceso inverso también surge porque el nivel f tiene una población térmica (aunque muy pequeña) - 0.006. De esta relación se desprende: P1 / P0 ﹥ Pf / Pg (línea discontinua en
2C ).
El segundo factor es que durante una conexión fuerte (conexión), el intercambio hibridará los estados | g, 1⟩ y | f, 0⟩. Si g excede la tasa de decaimiento de 2k, entonces la población del estado | g, 1⟩ comenzará la transición a | f, 0⟩ y volverá a | g, 1⟩, sin tener tiempo de decaer al estado | e, 0⟩.
Imagen No. 3: Evitar el límite del impacto no resonante por bombeo multiprocesoEste factor limitante puede eludirse mediante el carácter de masa, es decir, varios procesos de enfriamiento | g,
n ⟩⟷ | f,
n -1⟩ pueden iniciarse simultáneamente. Cuantos más flujos de este tipo, se requiere menos potencia de bombeo para lograr la población necesaria del estado fundamental. En consecuencia, se reduce el efecto de la exposición no resonante.
Además, es posible combinar diferentes procesos, | g,
n ⟩⟷ | f,
n -1⟩ y | g,
n ⟩⟷ | f,
n + 1⟩, lo que permitirá la estabilización de los estados de Fock del resonador de megahercios.
Imagen No. 4Finalmente, los científicos verificaron la dinámica de todo el sistema teniendo en cuenta los depósitos y la termalización del resonador de megahercios con una resolución de tiempo (intervalo) de 80 ns (nanosegundos). Durante la medición de la reflexión de microondas a una frecuencia determinada, la bomba se encendió y apagó durante 50 μs (microsegundos).
Las imágenes de arriba muestran los resultados de esta prueba:
4A es la dinámica de enfriamiento al estado fundamental y
4B es la estabilización del estado Fock de fotón único.
Después de estudiar el estado estacionario causado por el bombeo, este último se detuvo, lo que permitió observar el proceso de termalización del dispositivo.
Los científicos han resumido su trabajo en varias conclusiones. En primer lugar, aunque el sistema muestra buenos resultados de enfriamiento al estado fundamental y estabilización de los estados de Fock, existen ciertos problemas que requieren un mayor estudio. En primer lugar, este es un efecto extraresonante. Este problema se puede resolver determinando los valores exactos de A
H y Χ, lo que eliminará los procesos no resonantes del rango de frecuencia del proceso de enfriamiento. El segundo método es lograr una alta población del estado fundamental antes de que el efecto de una conexión fuerte (enlace) comience a afectar significativamente el proceso. Los científicos no consideran la opción de reducir la disipación de qubit debido al hecho de que, aunque este método elimina el efecto negativo de los procesos no resonantes, se producirá un acoplamiento fuerte con una potencia de bomba más baja.
Para un conocimiento más detallado de los detalles del estudio, le recomiendo que consulte el
informe de los científicos y materiales adicionales .
Epílogo
El mundo cuántico, sus leyes, limitaciones y ventajas son difíciles de entender, pero es posible y, lo más importante, necesario. Una de las áreas más difíciles en esta área es la combinación de físicos cuánticos y clásicos, es decir, el uso de tecnologías cuánticas para cambiar, controlar y mejorar los procesos descritos por la física clásica.
En este estudio, los científicos pudieron crear la arquitectura de un dispositivo cuántico que puede manipular un resonador de radiofrecuencia a nivel cuántico. Los investigadores mismos son optimistas sobre el futuro de su descendencia. Según ellos, esto puede impulsar la creación de un sistema similar, pero mucho más complejo y a gran escala que puede ayudar en el estudio de los cuerpos en los sistemas Bose-Hubbard. Los científicos también señalan que su creación puede servir como un enlace entre las tecnologías cuánticas y los sistemas físicos en el rango de frecuencia de megahercios. Este dispositivo también se puede utilizar para mejorar la RMN (resonancia magnética nuclear) e incluso en radioastronomía.
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