الفوتونات ، الكوانتا ، وحالة فوك: معالجة على مستوى الكم مع مرنان التردد اللاسلكي

إن عالم التكنولوجيا الكمومية غني ومربك مثل تاريخ الحضارة بأكملها. قد تفاجئنا بعض الاكتشافات في هذا المجال ، والبعض الآخر يدخل في حالة ذهول فكري. وكل ذلك لأن العالم الكمومي يعيش وفقًا لقوانينه الخاصة ، وغالبًا ما لا يهتم بالفيزياء الكلاسيكية. لقد اعتدنا على ربط كلمة "الكم" بالحسابات التي يمكن القيام بها بشكل أسرع وأكثر. ومع ذلك ، هذا أبعد ما يكون عن التطبيق الوحيد للتكنولوجيا الكم. اليوم ، سننظر في دراسة سمحت فيها ميكانيكا الكم للعلماء بإنشاء بنية يمكن استخدامها لمعالجة مرنان التردد اللاسلكي على مستوى الكم. يبدو الأمر بسيطًا ، ولكن في الواقع ، كان تحقيق هذا محفوفًا بعدد من "الألغاز". ما هي بالضبط جوانب العلوم الكمومية التي استخدمها العلماء ، وكيف أدركوها ، وماذا جاء بالضبط من هذا نتعلمه من تقرير مجموعة الأبحاث. دعنا نذهب.

أساس الدراسة

بادئ ذي بدء ، يسأل العلماء أنفسهم السؤال - ما هو أضعف مجال في ميكانيكا الكم؟ الجواب هو فوتون واحد. ويبدو أن اكتشاف فوتون واحد ومعالجته لا ينبغي أن يكون مهمة صعبة. ومع ذلك ، في ترددات ميغاهرتز هذا هو مشكلة كبيرة بسبب حقيقة أن هناك تقلبات حرارية كبيرة حتى في درجات الحرارة المبردة.

في هذه الدراسة ، استخدم العلماء غيغاهرتز qubit الموصلية الفائقة لمراقبة مباشرة الكمي للمجال الكهرومغناطيسي تردد الراديو ميغاهيرتز. يتيح استخدام qubit للشخص التحكم في الإشعاع الحراري ، والتبريد إلى الحالة الميكانيكية الكمومية للأرض ، وتثبيت حالة Fock * للفوتون.

حالة Fock * هي حالة في ميكانيكا الكم عندما يتم تحديد عدد الجزيئات بدقة.

تصبح مشكلة "التداخل" الحراري أثناء التلاعب بالفوتونات المفردة ملحوظة بدرجة أكبر عند الترددات المنخفضة. يتسبب حدوث الفوتون وإبادة الفوتونات بسبب الوسيلة الحارة في فك الارتباط * . وهذا يؤدي إلى تشكيل مجموعة من الحالات العشوائية ، والتي من الصعب عزل الحالة الكمومية.

Decoherence * هي عملية انتهاك لتنسيق العمليات الاهتزازية / الموجية (التماسك) بسبب تفاعل نظام ميكانيكي الكم والبيئة.

من المنطقي أن يتم حل مشكلة مماثلة باستخدام أنظمة أكثر برودة لاستخراج الإنتروبيا التي أنشأتها البيئة. في الممارسة العملية ، هذا الحل يسمى الخزان الحراري.

طبق العلماء تكنولوجيا المكامن في مخطط الديناميكي الكمي ، مما سمح لهم بتبريد الحقول الكهرومغناطيسية بكفاءة ومعالجتها على مستوى الكم.

في دراستهم ، تمكن العلماء من التحكم في مرنان الفوتون الميجاهرتز المتحمس حرارياً ، والذي جعل من الممكن مراقبة تقدير كمي للمجالات الكهرومغناطيسية بترددات الراديو. وقد تحقق التلاعب بالحالة الكمومية من خلال الخزانات. تمكن العلماء أيضًا من تثبيت حالة فوتون أحادية الفوتون وفوتون.

في قلب كل شيء تكمن قراءة مرنان والسيطرة عليه من خلال اقتران تشتت الفوتونات من مرنان و qubit فائقة التوصيل. ومع ذلك ، عندما يكون هناك غيغاهرتز qubit وفوتون ميغاهرتز ، فإن الاتصال (الاتصال) بينهما في مخطط الديناميكي الكم التقليدي سيكون ضعيفا للغاية. لكن العلماء تغلبوا أيضًا على هذه العقبة من خلال اقتراح طريقة جديدة للاتصال.

نتائج البحوث

الصورة رقم 1

من خلال المخطط الذي أنشأه العلماء ، تنشأ علاقة قوية للغاية بين الكوبت والفوتون ( 1A ). يتكون المخطط ، في جملة أمور ، من العناصر التالية:

لام _J - الاتصال جوزيفسون ، 41 نانومتر (النانو) ؛
C _L - مكثف ، 11 pF (بيكوفاراد) ؛
L - مغو دوامة ، 28 ن.

في الترددات المنخفضة ، لا تكاد السعة الطفيلية * لمحث الحث الحلزوني ، وبالنسبة للدائرة البديلة ( 1B ) ، فإن تردد الانتقال الأول يساوي ω _L = 2π x 173 MHz. إذا كانت هناك ترددات غيغا هرتز ، يصبح CL دائرة كهربائية قصيرة ، والسعة للمحث الحلزوني C _H = 40 fF (femtofarad). في هذه الحالة ، يكون للوصلة المتوازية ( 1C ) L _J و L و C _H تردد انتقال أولي يبلغ 2 π x 5.91 جيجاهرتز. يسمح هذا التكوين للدوائر كلا النموذجين بمشاركة جهة اتصال Josephson.

السعة الهامشية * عبارة عن اقتران سعوي غير مرغوب فيه يحدث بين عناصر الدائرة الإلكترونية (في هذه الحالة ، الكهروديناميكية).

يحتوي هذا الاتصال على محاثة ، والتي تختلف باختلاف تذبذبات التيار الذي يمر خلالها. في ضوء ذلك ، يتم تبديل تردد الرنين في وضع التردد العالي (HF) وفقًا لعدد من الإثارات في وضع التردد المنخفض (LF) والعكس بالعكس.

يتم قياس مثل هذا التفاعل المتقاطع Kerr بعدد الإزاحات لكل فوتون واحد: x = 2√A _H A _L ، حيث تتساوى أوضاع الانسجام * HF و LF مع A _L = h x 495 kHz و A _H = h x 192 MHz.

عدم الانسجام * - انحراف النظام عن المذبذب التوافقي.

يظهر تفاعل Cross-Kerr نفسه على أنه تقسيم لعدد الفوتونات في انعكاس الموجات الصغرية المقاسة S ₁₁ .

كما يتضح من الرسم البياني 1D ، نظرًا للتفاعل القوي عبر كير ، تؤدي التذبذبات الكمومية لحالة فوتون الفوتون (| 0⟩ ، | 1⟩ ، | 2⟩ ...) في مرنان إلى حدوث تحول في وتيرة انتقال qubit.

تمت تسمية المراحل الأولية للنظام كـ | j ، n⟩ ، حيث j = g ، e ، f ، ... هي إثارة وضع التردد العالي ، و n = 0 ، 1 ، 2 ... هو وضع التردد المنخفض.

تتناسب سعة الذروة n مع P _n إلى _ext / k _n ، حيث P _n هي موضع عدد الفوتونات في وضع التردد المنخفض ، و _ext / k هو الفرق بين الاتصال الخارجي إلى _ext / 2π = 1.6 MHz والعرض إلى _n عند الذروة n . وفقًا لتوزيع Bose-Einstein لارتفاعات الذروة P _n ، حدد العلماء متوسط ​​عدد الفوتونات n _th = 1.6 ، والتي تتوافق مع درجة حرارة وضع تبلغ 17 mK (millikelvin).

إحصائيات Bose-Einstein * هي توزيع جزيئات متطابقة ذات دوران صفري أو عدد صحيح على مستويات الطاقة في حالة توازن حراري ديناميكي.

يرجع سبب ارتفاع قمم الفوتونات الفردية إلى الحالة الخاصة بـ n ≪ x / ħ. وفقًا لذلك ، سيزداد عرض القمم بزيادة n : k _n = k (1 + 4 n _th (H)) + 2γ ( n + (1 + 2 n ) n _th ). في هذه الصيغة ، k / 2π = 3.7 MHz هو تبديد وضع التردد العالي ، و γ / 2π = 23 kHz هو تبديد وضع التردد المنخفض.

في هذه الحالة ، تقوم حالة _n / A _H / ħ بالإرسال (بتهمة شحن فائقة التوصيل) من وضع التردد العالي. هذا يسمح للمرء بتنشيط الانتقالات | g و n ⟩⟷ | e و n⟩ و | e و n ⟩⟷ | f و n⟩.

ولكن مع وضع التردد المنخفض ، كل شيء مختلف. عرض الخط الخاص به هو فقط بضعة ميغاهيرتز ، بسبب القيود المفروضة على جزء التمدد الحراري ، أكبر بكثير من A _L. هذا يجعلها نوعًا من التذبذب التوافقي.

تم تنفيذ انتقال الجزيئات بين الحالات من خلال عدم خطية الاتصال عن طريق ضخ الدائرة عند تردد atp. في هذه العملية ، يمكن فقط 4 فوتونات أن تتفاعل في وقت واحد ، عندما يتم القضاء على فوتون واحد في التجويف (وضع التردد المنخفض) ، ويتم تشكيل 2 فوتون بالفعل على جانب الإرسال.


الصورة رقم 2

تسمح طريقة الضخ هذه ، جنبًا إلى جنب مع وجود اختلاف كبير في ترددات الاسترخاء في الوضع ، بتبريد تجويف ميغاهرتز إلى حالته الأرضية. يظهر مخطط العملية في 2A .

لن يحدث التبريد إلا إذا كان معدل التسخين في المرنان أقل من معدل انتقال الإثارة من | g ، 1⟩ إلى | g ، 0⟩. هناك خيار تبريد ثاني - من خلال الانتقال | g ، 1⟩⟷ | e ، 0⟩. ومع ذلك ، فإن هذه العملية ثنائية الفوتون ، وبالتالي تتطلب المزيد من قوة الضخ.

يوضح الشكل 2B قياسات S ₁₁ (استجابة الميكروويف) عند مستويات طاقة مضخة التبريد المختلفة. كما نرى من هذا الرسم البياني ، يتم تحقيق أفضل نتيجة عندما يكون المستوى السكاني للدولة الأرضية هو 0.82.

إذا تم استخدام السكان كدالة للعمل التعاوني * ، فسوف نرى أنه مع وجود تعاونية أعلى (أقوى) ، سيبدأ انخفاض حاد في مؤشر السكان للدولة الأساسية. لذلك ، فإن عملية التبريد ستكون مستحيلة في مثل هذه الحالة.

التعاون * - يتغير في حالة النظام عندما يتكثف التفاعل بين عناصره مع مسار عملية التغيير بطريقة تسرع هذه العملية.

يلاحظ العلماء ثلاثة عوامل رئيسية تحد من التبريد وتؤدي إلى ما نراه في الرسم البياني 2C - وكلما زاد التعاون ، كلما كانت الأمور أسوأ مع السكان.

العامل الأول هو السكان الحراريون للبت. تقوم المبادلة بنقل السكان من | g ، 1⟩ إلى | f ، 0⟩ ، لكن العملية العكسية تنشأ أيضًا لأن المستوى f له عدد حراري (وإن كان صغير جدًا) - 0.006. يتبع هذه العلاقة: P1 / P0 ﹥ Pf / Pg (خط متقطع في 2C ).

العامل الثاني هو أنه أثناء الاتصال القوي (التوصيل) ، سيؤدي التبادل إلى تهجين الحالات | g و 1⟩ و | f و 0⟩. إذا تجاوزت g معدل الانحطاط وهو 2k ، فسيبدأ سكان الولاية | g ، 1 the في الانتقال إلى | f ، 0⟩ والعودة إلى | g ، 1⟩ ، دون أن يكون لديهم وقت للتسوس إلى الحالة | e ، 0⟩.


الصورة رقم 3: تجاوز الحد من التأثير غير الرناني بواسطة الضخ متعدد مؤشرات الترابط

يمكن التحايل على عامل الحد هذا من خلال خاصية الكتلة ، أي أنه يمكن بدء عدة عمليات تبريد | g ، n ⟩⟷ | f ، n -1⟩ في وقت واحد. كلما زادت التدفقات ، كانت طاقة الضخ أقل مطلوبة لتحقيق العدد الضروري من سكان الأرض. وبالتالي ، يتم تقليل تأثير التعرض غير الرنان.

علاوة على ذلك ، من الممكن الجمع بين العمليات المختلفة ، | g ، n ⟩⟷ | f ، n -1⟩ و | g ، n ⟩⟷ | f ، n + 1⟩ ، مما سيتيح استقرار حالات Fock في مرنان ميغاهيرتز.


الصورة رقم 4

أخيرًا ، قام العلماء بفحص ديناميات النظام بأكمله مع الأخذ في الاعتبار الخزانات وترطيب مرنان ميغاهرتز مع دقة زمنية (فاصل) من 80 نانوثانية (نانو ثانية). أثناء قياس انعكاس الميكروويف على تردد معين ، تم تشغيل المضخة وإيقافها لمدة 50 ميكرون (ميكروثانية).

تُظهر الصور أعلاه نتائج هذا الاختبار: 4A هي ديناميات التبريد لحالة الأرض و 4 B هي تثبيت حالة Fock أحادية الفوتون.

بعد دراسة الحالة الثابتة الناتجة عن الضخ ، توقف الأخير ، مما مكن من ملاحظة عملية التسخين الحراري للجهاز.

ولخص العلماء عملهم في عدة استنتاجات. أولاً ، على الرغم من أن النظام يُظهر نتائج جيدة للتبريد إلى حالة الأرض واستقرار حالات Fock ، إلا أن هناك بعض المشكلات التي تتطلب مزيدًا من الدراسة. بادئ ذي بدء ، هذا هو تأثير الرنانة. يمكن حل هذه المشكلة عن طريق تحديد القيم الصحيحة لـ A _H و Χ ، والتي ستزيل العمليات غير الرنانة من نطاق التردد لعملية التبريد. الطريقة الثانية هي تحقيق عدد كبير من سكان الأرض قبل أن يبدأ تأثير الارتباط القوي (الرابطة) في التأثير بشكل كبير على العملية. لا يفكر العلماء في خيار تقليل تبديد qubit بسبب حقيقة أنه على الرغم من أن هذه الطريقة تقضي على التأثير السلبي للعمليات غير الرنانة ، إلا أن اقترانًا قويًا سيحدث عند انخفاض طاقة المضخة.

للحصول على معرفة أكثر تفصيلاً مع تفاصيل الدراسة ، أوصي بشدة أن تنظر في تقرير العلماء ومواد إضافية إليه .

خاتمة

يصعب فهم العالم الكمي وقوانينه وقيوده ومزاياه ، لكنه ممكن ، والأهم من ذلك ، ضروري. واحدة من أصعب المناطق في هذا المجال هي مزيج من علماء الفيزياء الكمومية والكلاسيكية ، أي استخدام تقنيات الكم لتغيير العمليات التي تصفها الفيزياء الكلاسيكية والسيطرة عليها وتحسينها.

في هذه الدراسة ، تمكن العلماء من إنشاء بنية جهاز الكم الذي يمكنه التعامل مع مرنان التردد اللاسلكي على مستوى الكم. الباحثون أنفسهم متفائلون بمستقبل ذريتهم. وفقا لهم ، يمكن أن يعطي هذا زخما لإنشاء نظام مماثل ، ولكن أكثر تعقيدا واسعة النطاق التي يمكن أن تساعد في دراسة الهيئات في أنظمة بوس هوبارد. ويشير العلماء أيضًا إلى أن ابتكارهم يمكن أن يكون بمثابة رابط بين التقنيات الكمومية والأنظمة الفيزيائية في مدى تردد ميغاهرتز. يمكن أيضًا استخدام هذا الجهاز لتحسين الرنين المغناطيسي النووي (NMR) وحتى في علم الفلك الراديوي.

شكرًا لك على اهتمامك ، ابقَ فضوليًا ولديك أسبوع عمل رائعًا يا شباب.

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 مراكز) 10GB DDR4 240GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية حتى الصيف مجانًا عند الدفع لمدة ستة أشهر ، يمكنك طلب هنا .

ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ لدينا فقط 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة الأمريكية! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟