Die Welt der Quantentechnologie ist so reich und verwirrend wie die Geschichte einer ganzen Zivilisation. Einige Entdeckungen in diesem Bereich mögen uns überraschen, andere führen zu einem Zustand intellektueller Betäubung. Und das alles, weil die Quantenwelt nach ihren eigenen Gesetzen lebt und sich oft nicht für die klassische Physik interessiert. Wir sind es gewohnt, das Wort „Quantum“ mit Berechnungen zu verknüpfen, die schneller und schneller durchgeführt werden können. Dies ist jedoch bei weitem nicht die einzige Anwendung der Quantentechnologie. Heute werden wir uns eine Studie ansehen, in der die Quantenmechanik es Wissenschaftlern ermöglichte, eine Architektur zu erstellen, mit der ein Hochfrequenzresonator auf Quantenebene manipuliert werden kann. Es klingt einfach, aber tatsächlich war das Erreichen dieses Ziels mit einer Reihe von "Rätseln" behaftet. Welche genauen Aspekte der Quantenwissenschaften von Wissenschaftlern genutzt wurden, wie sie sie realisierten und was genau daraus wurde, erfahren wir aus dem Bericht der Forschungsgruppe. Lass uns gehen.
Studienbasis
Zunächst stellen sich Wissenschaftler die Frage: Was ist das schwächste Feld in der Quantenmechanik? Die Antwort ist Einzelphoton. Und es scheint, dass die Detektion und Manipulation eines einzelnen Photons keine schwierige Aufgabe sein sollte. Bei Megahertz-Frequenzen ist dies jedoch recht problematisch, da selbst bei kryogenen Temperaturen erhebliche thermische Schwankungen auftreten.
In dieser Studie verwendeten Wissenschaftler ein supraleitendes Gigahertz-Qubit, um die Quantisierung eines elektromagnetischen Megahertz-Hochfrequenzfeldes direkt zu beobachten. Die Verwendung eines Qubits ermöglicht es, die Kontrolle über die Wärmestrahlung, die Abkühlung auf den quantenmechanischen Grundzustand und die Stabilisierung
des Fock * -Zustands des Photons zu erlangen.
Der Fock * -Zustand ist ein Zustand in der Quantenmechanik, in dem die Anzahl der Teilchen genau bestimmt wird.
Das Problem der thermischen „Interferenz“ bei Manipulationen mit einzelnen Photonen wird bei niedrigen Frequenzen viel deutlicher. Das zufällige Auftreten und Vernichten von Photonen durch ein heißes Medium führt zur
Dekohärenz * . Und dies führt zur Bildung einer Kombination von Zufallszuständen, aus denen es schwierig ist, den Quantenzustand zu isolieren.
Dekohärenz * ist ein Prozess der Verletzung der Koordination von Schwingungs- / Wellenprozessen (Kohärenz) aufgrund des Zusammenspiels eines quantenmechanischen Systems und der Umgebung.
Es ist logisch, dass ein ähnliches Problem gelöst werden kann, indem kältere Systeme verwendet werden, um die von der Umgebung erzeugte Entropie zu extrahieren. In der Praxis wird diese Lösung als Wärmespeicher bezeichnet.
Wissenschaftler haben die Reservoirtechnologie in ihrem quantenelektrodynamischen Schema angewendet, mit dem sie elektromagnetische Felder auf Quantenebene effizient kühlen und manipulieren konnten.
In ihrer Studie konnten Wissenschaftler die Kontrolle über einen thermisch angeregten Megahertz-Photonenresonator erlangen, der es ermöglichte, die Quantisierung hochfrequenter elektromagnetischer Felder zu beobachten. Und die Manipulation des Quantenzustands wurde durch Reservoire erreicht. Den Wissenschaftlern gelang es auch, die Einzelphotonen- und Zweiphotonenzustände von Fock zu stabilisieren.
Im Zentrum von allem steht das Lesen und Steuern des Resonators durch die Dispersionskopplung der Photonen des Resonators und des supraleitenden Qubits. Wenn es jedoch ein Gigahertz-Qubit und ein Megahertz-Photon gibt, ist die Verbindung (Verbindung) zwischen ihnen im traditionellen quantenelektrodynamischen Schema extrem schwach. Wissenschaftler haben dieses Hindernis aber auch überwunden, indem sie eine neue Verbindungsmethode vorgeschlagen haben.
Forschungsergebnisse
Bild Nr. 1Durch das von Wissenschaftlern erstellte Schema entsteht eine sehr starke Verbindung zwischen dem Qubit und dem Photon (
1A ). Das Diagramm besteht unter anderem aus folgenden Elementen:
L
J - Josephson-Kontakt, 41 nH (Nanogenese);
C
L - Kondensator, 11 pF (Picofarad);
L - Spiralinduktor, 28 nH.
Bei niedrigen Frequenzen ist die
parasitäre Kapazität * des Spiralinduktors vernachlässigbar, und für die alternative Schaltung (
1B ) ist die Frequenz des ersten Übergangs gleich ω
L = 2π x 173 MHz. Bei Gigahertz-Frequenzen wird CL zu einem Kurzschluss, und die Kapazität des Spiralinduktors CH = 40 fF (Femtofarad). In diesem Fall hat die Parallelschaltung (
1C ) L
J , L und C
H eine erste Übergangsfrequenz von 2π x 5,91 GHz. Diese Konfiguration der Schaltkreise ermöglicht es beiden Modellen, Josephsons Kontakt zu teilen.
Die Störkapazität * ist eine unerwünschte kapazitive Kopplung, die zwischen Elementen einer elektronischen (in diesem Fall elektrodynamischen) Schaltung auftritt.
Dieser Kontakt hat eine Induktivität, die in Abhängigkeit von den Schwingungen des durch ihn fließenden Stroms variiert. In Anbetracht dessen wird die Resonanzfrequenz des Hochfrequenzmodus (HF) entsprechend der Anzahl der Anregungen im Niederfrequenzmodus (LF) verschoben und umgekehrt.
Eine solche Kreuz-Kerr-Wechselwirkung wird quantitativ durch die Anzahl der Verschiebungen pro 1 Photon bestimmt: x = 2√A
H A
L , wobei die
Anharmonizität * HF- und LF-Moden gleich A
L = h x 495 kHz und A
H = h x 192 MHz ist.
Anharmonizität * - Abweichung des Systems vom harmonischen Oszillator.
Die Cross-Kerr-Wechselwirkung äußert sich in einer Aufteilung der Anzahl der Photonen in der gemessenen Mikrowellenreflexion S
11 .
Wie aus dem Diagramm
1D ersichtlich ist, führen Quantenoszillationen des Fock-Photonenzustands (| 0⟩, | 1⟩, | 2⟩ ...) im Hohlraum aufgrund der starken Kreuz-Kerr-Wechselwirkung zu einer Verschiebung der Frequenz des Qubit-Übergangs.
Die Eigenzustände des Systems wurden als | j, n⟩ bezeichnet, wobei j = g, e, f, ... die Anregung des Hochfrequenzmodus und n = 0, 1, 2 ... der Niederfrequenzmodus ist.
Die Amplitude der Peaks
n ist proportional zu P
n zu ext /
k n , wobei P
n die Position der Anzahl der Photonen im Niederfrequenzmodus ist und
zu ext /
k n die Differenz zwischen der externen Verbindung
zu ext / 2π = 1,6 MHz und der Breite
zu n bei Peak
n ist . In Übereinstimmung mit der Bose-Einstein-Verteilung der Peakhöhen P
n bestimmten die Wissenschaftler die durchschnittliche Anzahl der Photonen
n th = 1,6, was einer Modustemperatur von 17 mK (Millikelvin) entspricht.
Die Bose-Einstein-Statistik * ist die Verteilung identischer Teilchen mit null oder ganzzahligem Spin über die Energieniveaus in einem Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts.
Die Auflösung der Peaks einzelner Photonen beruht auf der Bedingung
für n ≪ x / ħ. Dementsprechend nimmt die Breite der Peaks mit zunehmendem
n zu :
k n =
k (1 + 4
n (H)) + 2 & ggr; (
n + (1 + 2
n )
n ). In dieser Formel ist
k / 2π = 3,7 MHz die Hochfrequenzmodendissipation und γ / 2π = 23 kHz ist die Niederfrequenzmodendissipation.
In diesem Fall erzeugt die Bedingung
für n ≪ A
H / ħ ein Transmon (supraleitendes Ladungs-Qubit) aus dem Hochfrequenzmodus. Dies ermöglicht es, die Übergänge | g,
n ⟩⟷ | e, n⟩ und | e,
n ⟩⟷ | f, n⟩ selektiv zu aktivieren.
Aber im Niederfrequenzmodus ist alles anders. Seine Linienbreite beträgt aufgrund der Einschränkung der Wärmeausdehnung, die viel größer als A
L ist, nur wenige MHz. Dies macht es zu einer Art harmonischem Oszillator.
Der Übergang von Partikeln zwischen Zuständen wurde durch die Nichtlinearität des Kontakts durchgeführt, indem die Schaltung mit der ωp-Frequenz gepumpt wurde. Bei diesem Prozess können nur 4 Photonen gleichzeitig interagieren, wenn 1 Photon im Hohlraum (Niederfrequenzmodus) vernichtet wird und bereits 2 Photonen auf der Transmonseite gebildet werden.
Bild Nr. 2Diese Pumpmethode ermöglicht in Kombination mit einem großen Unterschied in den Modenrelaxationsfrequenzen, dass der Megahertz-Hohlraum auf seinen Grundzustand abgekühlt wird. Das Prozessdiagramm ist in
2A gezeigt.
Eine Abkühlung tritt nur auf, wenn die Thermalisierungsrate des Resonators niedriger ist als die Übergangsrate der Anregungen von | g, 1⟩ zu | g, 0⟩. Es gibt eine zweite Kühloption - durch den Übergang | g, 1⟩⟷ | e, 0⟩. Dieser Prozess ist jedoch ein Zwei-Photonen-Prozess und erfordert daher mehr Pumpleistung.
Fig. 2B zeigt Messungen von S
11 (Mikrowellenantwort) bei verschiedenen Kühlpumpenleistungspegeln. Wie wir aus dieser Grafik sehen, wird das beste Ergebnis erzielt, wenn das Bevölkerungsniveau des Grundzustands 0,82 beträgt.
Wenn die Bevölkerung als Funktion der
Kooperativität * verwendet wird , wird ersichtlich, dass mit einer höheren (stärkeren) Kooperativität ein starker Rückgang des Bevölkerungsindex des Grundzustands beginnt. Daher ist der Abkühlungsprozess in einer solchen Situation unmöglich.
Kooperativität * - Änderungen im Zustand des Systems, wenn sich die Interaktion zwischen seinen Elementen im Verlauf des Änderungsprozesses so intensiviert, dass dieser Prozess beschleunigt wird.
Wissenschaftler stellen drei Hauptfaktoren fest, die die Abkühlung begrenzen und zu dem führen, was wir in Grafik
2C sehen:
Je höher die Kooperativität, desto schlimmer ist die Bevölkerung.
Der erste Faktor ist die thermische Population des Qubits. Das Tauschen überträgt die Population von | g, 1⟩ auf | f, 0⟩, aber der umgekehrte Prozess tritt auch auf, weil das Niveau f eine thermische Population hat (wenn auch sehr klein) - 0,006. Aus dieser Beziehung folgt: P1 / P0 ﹥ Pf / Pg (gestrichelte Linie bei
2C ).
Der zweite Faktor ist, dass während einer starken Verbindung (Verbindung) durch Tauschen die Zustände | g, 1⟩ und | f, 0⟩ hybridisiert werden. Wenn g die Abklingrate von 2k überschreitet, beginnt die Population des Zustands | g, 1⟩ den Übergang zu | f, 0⟩ und kehrt zu | g, 1⟩ zurück, ohne Zeit zu haben, in den Zustand | e, 0⟩ abzufallen.
Bild Nr. 3: Umgehen der Grenze des nichtresonanten Aufpralls durch Multithread-PumpenDieser begrenzende Faktor kann durch den Massencharakter umgangen werden, dh es können mehrere Kühlprozesse | g,
n ⟩⟷ | f,
n -1⟩ gleichzeitig gestartet werden. Je mehr solche Ströme vorhanden sind, desto weniger Pumpleistung wird benötigt, um die notwendige Grundgesamtheit zu erreichen. Folglich wird der Effekt einer nicht resonanten Belichtung verringert.
Darüber hinaus ist es möglich, verschiedene Prozesse | g,
n ⟩⟷ | f,
n -1⟩ und | g,
n ⟩⟷ | f,
n + 1⟩ zu kombinieren, um die Fock-Zustände des Megahertz-Resonators zu stabilisieren.
Bild Nr. 4Schließlich überprüften die Wissenschaftler die Dynamik des gesamten Systems unter Berücksichtigung der Reservoire und der Thermalisierung des Megahertz-Resonators mit einer Zeitauflösung (Intervall) von 80 ns (Nanosekunden). Während der Messung der Mikrowellenreflexion bei einer bestimmten Frequenz wurde die Pumpe für 50 μs (Mikrosekunden) ein- und ausgeschaltet.
Die obigen Bilder zeigen die Ergebnisse dieses Tests:
4A ist die Dynamik der Abkühlung in den Grundzustand und
4B ist die Stabilisierung des Einzelphotonen-Fock-Zustands.
Nachdem der durch das Pumpen verursachte stationäre Zustand untersucht worden war, stoppte dieser, wodurch der Thermalisierungsprozess des Geräts beobachtet werden konnte.
Wissenschaftler haben ihre Arbeit in mehreren Schlussfolgerungen zusammengefasst. Erstens gibt es, obwohl das System gute Ergebnisse bei der Abkühlung auf den Grundzustand und der Stabilisierung der Fock-Zustände zeigt, bestimmte Probleme, die weiterer Untersuchungen bedürfen. Dies ist vor allem ein extra-resonanter Effekt. Dieses Problem kann gelöst werden, indem die genauen Werte von A
H und Χ bestimmt werden, wodurch nicht resonante Prozesse aus dem Frequenzbereich des Kühlprozesses entfernt werden. Die zweite Methode besteht darin, eine hohe Grundgesamtheit zu erreichen, bevor der Effekt einer starken Verbindung (Bindung) den Prozess signifikant beeinflusst. Wissenschaftler erwägen nicht die Möglichkeit, die Qubit-Dissipation zu reduzieren, da diese Methode zwar den negativen Effekt nichtresonanter Prozesse eliminiert, bei einer geringeren Pumpleistung jedoch eine starke Kopplung auftritt.
Für eine detailliertere Kenntnis der Details der Studie empfehle ich dringend, dass Sie sich den
Bericht von Wissenschaftlern und zusätzliche Materialien dazu ansehen.
Nachwort
Die Quantenwelt, ihre Gesetze, Grenzen und Vorteile sind schwer zu verstehen, aber sie ist möglich und vor allem notwendig. Einer der schwierigsten Bereiche in diesem Bereich ist die Kombination von Quanten- und klassischen Physikern, dh der Einsatz von Quantentechnologien, um die von der klassischen Physik beschriebenen Prozesse zu ändern, zu steuern und zu verbessern.
In dieser Studie konnten Wissenschaftler die Architektur eines Quantengeräts erstellen, das einen Hochfrequenzresonator auf Quantenebene manipulieren kann. Die Forscher selbst blicken optimistisch in die Zukunft ihrer Nachkommen. Demnach kann dies Impulse für die Schaffung eines ähnlichen, aber viel komplexeren und umfangreicheren Systems geben, das bei der Untersuchung von Körpern in Bose-Hubbard-Systemen hilfreich sein kann. Wissenschaftler weisen auch darauf hin, dass ihre Entstehung als Bindeglied zwischen Quantentechnologien und physikalischen Systemen im Megahertz-Frequenzbereich dienen kann. Dieses Gerät kann auch zur Verbesserung der NMR (Kernspinresonanz) und sogar in der Radioastronomie eingesetzt werden.
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