Le monde de la technologie quantique est aussi riche et déroutant que l'histoire de toute une civilisation. Certaines découvertes dans ce domaine peuvent nous surprendre, d'autres introduisent dans un état de stupeur intellectuelle. Et tout cela parce que le monde quantique vit selon ses propres lois, et souvent il ne se soucie pas de la physique classique. Nous sommes habitués à associer le mot «quantique» à des calculs qui peuvent être effectués plus rapidement et plus. Cependant, c'est loin d'être la seule application de la technologie quantique. Aujourd'hui, nous examinerons une étude dans laquelle la mécanique quantique a permis aux scientifiques de créer une architecture qui peut être utilisée pour manipuler un résonateur radiofréquence à un niveau quantique. Cela semble simple, mais en fait, la réalisation de cet objectif a été lourde de difficultés. Quels aspects exacts des sciences quantiques ont été utilisés par les scientifiques, comment les ont-ils réalisés et qu'est-ce qui en est ressorti exactement dans le rapport du groupe de recherche. Allons-y.
Base d'étude
Tout d'abord, les scientifiques se posent la question: quel est le champ le plus faible de la mécanique quantique? La réponse est un photon unique. Et, semble-t-il, la détection et la manipulation d'un seul photon ne devraient pas être une tâche difficile. Cependant, aux fréquences mégahertz, cela est assez problématique en raison du fait qu'il y a des fluctuations thermiques importantes même à des températures cryogéniques.
Dans cette étude, les scientifiques ont utilisé un qubit supraconducteur gigahertz pour observer directement la quantification d'un champ électromagnétique radiofréquence mégahertz. L'utilisation d'un qubit permet de contrôler le rayonnement thermique, le refroidissement à l'état mécanique quantique du sol et la stabilisation
de l'état Fock * du photon.
L' état Fock * est un état en mécanique quantique lorsque le nombre de particules est déterminé avec précision.
Le problème des «interférences» thermiques lors des manipulations avec des photons uniques devient beaucoup plus sensible aux basses fréquences. L'apparition accidentelle et l'annihilation de photons due à un milieu chaud entraîne une
décohérence * . Et cela conduit à la formation d'une combinaison d'états aléatoires, dont il est difficile d'isoler l'état quantique.
La décohérence * est un processus de violation de la coordination des processus vibrationnels / ondulatoires (cohérence) dû à l'interaction d'un système mécanique quantique et de l'environnement.
Il est logique qu'un problème similaire puisse être résolu en utilisant des systèmes plus froids pour extraire l'entropie créée par l'environnement. En pratique, cette solution est appelée réservoir thermique.
Les scientifiques ont appliqué la technologie des réservoirs dans leur schéma électrodynamique quantique, ce qui leur a permis de refroidir et de manipuler efficacement les champs électromagnétiques au niveau quantique.
Dans leur étude, les scientifiques ont pu prendre le contrôle d'un résonateur photonique à mégahertz excité thermiquement, ce qui a permis d'observer la quantification des champs électromagnétiques radiofréquences. Et la manipulation de l'état quantique a été réalisée grâce à des réservoirs. Les scientifiques ont également réussi à stabiliser les états à un photon et à deux photons de Fock.
Au cœur de tout se trouve la lecture et le contrôle du résonateur grâce au couplage de dispersion des photons du résonateur et du qubit supraconducteur. Cependant, lorsqu'il y a un qubit gigahertz et un photon mégahertz, la connexion (connexion) entre eux dans le schéma électrodynamique quantique traditionnel sera extrêmement faible. Mais les scientifiques ont également surmonté cet obstacle en proposant une nouvelle méthode de connexion.
Résultats de recherche
Image n ° 1Grâce au schéma créé par les scientifiques, une connexion très forte se crée entre le qubit et le photon (
1A ). Le diagramme comprend, entre autres, les éléments suivants:
L
J - contact Josephson, 41 nH (nanogénie);
C
L - condensateur, 11 pF (picofarad);
Inductance en spirale L, 28 nH.
Aux basses fréquences, la
capacité parasite * de l' inducteur en spirale est négligeable, et pour le circuit alternatif (
1B ), la fréquence de la première transition sera égale à ω
L = 2π x 173 MHz. S'il y a des fréquences gigahertz, CL devient un court-circuit, et la capacité de l'inductance spirale C
H = 40 fF (femtofarad). Dans ce cas, la connexion parallèle (
1C ) L
J , L et C
H a une première fréquence de transition de 2π x 5,91 GHz. Cette configuration des circuits permet aux deux modèles de partager le contact de Josephson.
La capacité parasite * est un couplage capacitif indésirable qui se produit entre les éléments d'un circuit électronique (dans ce cas, électrodynamique).
Ce contact a une inductance, qui varie en fonction des oscillations du courant qui le traverse. Compte tenu de cela, la fréquence de résonance du mode haute fréquence (HF) est décalée en fonction du nombre d'excitations dans le mode basse fréquence (LF) et vice versa.
Une telle interaction cross-Kerr est déterminée quantitativement par le nombre de décalages pour 1 photon: x = 2√A
H A
L , où les modes d'
anharmonicité * HF et LF sont égaux à A
L = h x 495 kHz et A
H = h x 192 MHz.
Anharmonicité * - écart du système par rapport à l'oscillateur harmonique.
L'interaction Cross-Kerr se manifeste par une division du nombre de photons dans la réflexion micro-onde mesurée S
11 .
Comme le montre le graphique
1D , en raison de la forte interaction cross-Kerr, les oscillations quantiques de l'état des photons de Fock (| 0⟩, | 1⟩, | 2⟩ ...) dans la cavité entraînent un décalage de la fréquence de la transition qubit.
Les états propres du système ont été étiquetés comme | j, n⟩, où j = g, e, f, ... est l'excitation du mode haute fréquence, et n = 0, 1, 2 ... est le mode basse fréquence.
L'amplitude des pics
n est proportionnelle à P
n à ext /
k n , où P
n est la position du nombre de photons en mode basse fréquence, et
à ext /
k n est la différence entre la connexion externe
à ext / 2π = 1,6 MHz et la largeur
à n au pic
n . Conformément à la distribution de Bose-Einstein des hauteurs de pic P
n , les scientifiques ont déterminé le nombre moyen de photons
n th = 1,6, ce qui correspond à une température de mode de 17 mK (millikelvins).
Les statistiques de Bose-Einstein * sont la distribution de particules identiques avec un spin nul ou entier sur les niveaux d'énergie dans un état d'équilibre thermodynamique.
La résolution des pics des photons individuels est due à la condition
de n ≪ x / ħ. En conséquence, la largeur des pics augmentera avec l'augmentation de
n :
k n =
k (1 + 4
n th (H)) + 2γ (
n + (1 + 2
n )
n th ). Dans cette formule,
k / 2π = 3,7 MHz est la dissipation en mode haute fréquence et γ / 2π = 23 kHz est la dissipation en mode basse fréquence.
Dans ce cas, la condition
pour n ≪ A
H / ħ fait un transmon (qubit de charge supraconductrice) à partir du mode haute fréquence. Cela permet d'activer sélectivement les transitions | g,
n ⟩⟷ | e, n⟩ et | e,
n ⟩⟷ | f, n⟩.
Mais avec le mode basse fréquence, tout est différent. Sa largeur de ligne n'est que de quelques MHz, en raison de la restriction de la part de dilatation thermique, beaucoup plus grande que A
L. Cela en fait une sorte d'oscillateur harmonique.
La transition des particules entre les états a été réalisée grâce à la non-linéarité du contact en pompant le circuit à la fréquence ωp. Dans ce processus, seuls 4 photons peuvent interagir à la fois, lorsqu'un 1 photon dans la cavité (mode basse fréquence) est annihilé et 2 photons sont déjà formés du côté transmon.
Image n ° 2Cette méthode de pompage, combinée à une grande différence de fréquences de relaxation de mode, permet à la cavité mégahertz d'être refroidie à son état fondamental. Le diagramme de processus est illustré en
2A .
Le refroidissement ne se produira que si la vitesse de thermalisation du résonateur est inférieure à la vitesse de transition des excitations de | g, 1⟩ à | g, 0⟩. Il existe une deuxième option de refroidissement - à travers la transition | g, 1⟩⟷ | e, 0⟩. Cependant, ce processus est à deux photons et nécessite donc plus de puissance de pompage.
La figure 2B montre les mesures de S
11 (réponse micro-ondes) à différents niveaux de puissance de la pompe de refroidissement. Comme nous le voyons sur ce graphique, le meilleur résultat est obtenu lorsque le niveau de population de l'état fondamental est de 0,82.
Si la population est utilisée en fonction de la
coopérativité * , alors on verra qu'avec une coopérativité plus élevée (plus forte), une forte baisse de l'indice de population de l'état fondamental commencera. Par conséquent, le processus de refroidissement sera impossible dans une telle situation.
Coopérativité * - changements dans l'état du système lorsque l'interaction entre ses éléments s'intensifie avec le cours du processus de changement de manière à accélérer ce processus.
Les scientifiques notent trois facteurs principaux qui limitent le refroidissement et conduisent à ce que nous voyons sur le graphique
2C - plus la coopérativité est élevée, plus la situation est mauvaise pour la population.
Le premier facteur est la population thermique du qubit. L'échange transfère la population de | g, 1⟩ à | f, 0⟩, mais le processus inverse se produit également parce que le niveau f a une population thermique (bien que très petite) - 0,006. Il découle de cette relation: P1 / P0 ﹥ Pf / Pg (ligne pointillée à
2C ).
Le deuxième facteur est que lors d'une connexion forte (connexion), l'échange va hybrider les états | g, 1⟩ et | f, 0⟩. Si g dépasse le taux de décroissance de 2k, alors la population de l'état | g, 1⟩ commencera la transition vers | f, 0⟩ et reviendra à | g, 1⟩, sans avoir le temps de se désintégrer à l'état | e, 0⟩.
Image n ° 3: Contourner la limite de l'impact non résonant par pompage multithreadCe facteur limitant peut être contourné par le caractère de masse, c'est-à-dire que plusieurs processus de refroidissement | g,
n ⟩⟷ | f,
n -1⟩ peuvent être démarrés simultanément. Plus ces débits sont importants, moins la puissance de pompage est nécessaire pour atteindre la population nécessaire de l'état fondamental. Par conséquent, l'effet d'une exposition non résonante est réduit.
De plus, il est possible de combiner différents processus, | g,
n ⟩⟷ | f,
n -1⟩ et | g,
n ⟩⟷ | f,
n + 1⟩, ce qui permettra la stabilisation des états de Fock du résonateur mégahertz.
Image n ° 4Enfin, les scientifiques ont vérifié la dynamique de l'ensemble du système en tenant compte des réservoirs et de la thermalisation du résonateur mégahertz avec une résolution temporelle (intervalle) de 80 ns (nanosecondes). Pendant la mesure de la réflexion des micro-ondes à une certaine fréquence, la pompe s'est allumée et éteinte pendant 50 μs (microsecondes).
Les images ci-dessus montrent les résultats de ce test:
4A est la dynamique du refroidissement à l'état fondamental et
4B est la stabilisation de l'état Fock à photon unique.
Après avoir étudié l'état stationnaire provoqué par le pompage, celui-ci s'est arrêté, ce qui a permis d'observer le processus de thermalisation de l'appareil.
Les scientifiques ont résumé leur travail en plusieurs conclusions. Premièrement, bien que le système montre de bons résultats de refroidissement à l'état fondamental et de stabilisation des états de Fock, certains problèmes nécessitent une étude plus approfondie. Tout d'abord, c'est un effet extra-résonnant. Ce problème peut être résolu en déterminant les valeurs exactes de A
H et Χ, ce qui supprimera les processus non résonants de la plage de fréquences du processus de refroidissement. La deuxième méthode consiste à atteindre une population élevée de l'état fondamental avant que l'effet d'une connexion forte (liaison) commence à affecter de manière significative le processus. Les scientifiques n'envisagent pas l'option de réduire la dissipation du qubit, car bien que cette méthode élimine l'effet négatif des processus non résonants, un couplage fort se produira à une puissance de pompe inférieure.
Pour une connaissance plus détaillée des détails de l'étude, je vous recommande fortement de consulter le
rapport des scientifiques et les documents supplémentaires qui s'y rapportent .
Épilogue
Le monde quantique, ses lois, ses limites et ses avantages sont difficiles à comprendre, mais il est possible et, surtout, nécessaire. L'un des domaines les plus difficiles dans ce domaine est la combinaison des physiciens quantiques et classiques, c'est-à-dire l'utilisation des technologies quantiques pour changer, contrôler et améliorer les processus décrits par la physique classique.
Dans cette étude, les scientifiques ont pu créer l'architecture d'un appareil quantique capable de manipuler un résonateur radiofréquence à un niveau quantique. Les chercheurs eux-mêmes sont optimistes quant à l'avenir de leur progéniture. Selon eux, cela peut donner un élan à la création d'un système similaire, mais beaucoup plus complexe et à grande échelle qui peut aider à l'étude des corps dans les systèmes Bose-Hubbard. Les scientifiques soulignent également que leur création peut servir de lien entre les technologies quantiques et les systèmes physiques dans la gamme de fréquences mégahertz. Ce dispositif peut également être utilisé pour améliorer la RMN (résonance magnétique nucléaire) et même en radioastronomie.
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