फोटॉनों, क्वांटा, और फॉक की स्थिति: रेडियो-आवृत्ति गुंजयमान यंत्र के साथ क्वांटम-स्तरीय जोड़तोड़

क्वांटम तकनीक की दुनिया पूरी सभ्यता के इतिहास की तरह समृद्ध और भ्रमित करने वाली है। इस क्षेत्र में कुछ खोज हमें आश्चर्यचकित कर सकती हैं, अन्य बौद्धिक मूर्खता की स्थिति में पेश करती हैं। और सभी क्योंकि क्वांटम दुनिया अपने कानूनों के अनुसार रहती है, और अक्सर यह शास्त्रीय भौतिकी की परवाह नहीं करता है। हम "क्वांटम" शब्द को गणनाओं के साथ जोड़ने के लिए उपयोग किया जाता है जो तेजी से और अधिक किया जा सकता है। हालांकि, यह क्वांटम तकनीक के एकमात्र अनुप्रयोग से दूर है। आज, हम एक अध्ययन पर गौर करेंगे जिसमें क्वांटम यांत्रिकी ने वैज्ञानिकों को एक वास्तुकला बनाने की अनुमति दी थी जिसका उपयोग क्वांटम स्तर पर एक रेडियो आवृत्ति गुंजयमान यंत्र में हेरफेर करने के लिए किया जा सकता है। यह सरल लगता है, लेकिन वास्तव में, इसे प्राप्त करना कई "पहेलियों" से भरा हुआ था। वैज्ञानिकों द्वारा क्वांटम विज्ञान के कौन से पहलुओं का उपयोग किया गया था, उन्हें कैसे महसूस किया गया, और इसके बारे में वास्तव में हमें अनुसंधान समूह की रिपोर्ट से क्या पता चला। चलो चलते हैं।

अध्ययन का आधार

सबसे पहले, वैज्ञानिक खुद से सवाल पूछते हैं - क्वांटम यांत्रिकी में सबसे कमजोर क्षेत्र क्या है? उत्तर एकल-फोटॉन है। और, यह प्रतीत होता है, एक भी फोटॉन का पता लगाना और हेरफेर एक मुश्किल काम नहीं होना चाहिए। हालांकि, मेगाहर्ट्ज़ आवृत्तियों पर इस तथ्य के कारण काफी समस्याग्रस्त है कि क्रायोजेनिक तापमान पर भी महत्वपूर्ण थर्मल उतार-चढ़ाव होते हैं।

इस अध्ययन में, वैज्ञानिकों ने एक मेगाहर्ट्ज़ रेडियो फ्रीक्वेंसी इलेक्ट्रोमैग्नेटिक फील्ड की मात्रा का सीधे निरीक्षण करने के लिए एक गीगाहर्ट्ज़ सुपरकंडक्टिंग क्वेट का उपयोग किया। एक qubit का उपयोग एक थर्मल विकिरण पर नियंत्रण हासिल करने की अनुमति देता है, जमीन की क्वांटम यांत्रिक स्थिति को ठंडा करता है, और फोटॉन के Fock * राज्य को स्थिर करता है ।

फॉक * राज्य क्वांटम यांत्रिकी में एक राज्य है जब कणों की संख्या ठीक से निर्धारित होती है।

एकल फोटॉनों के साथ छेड़छाड़ के दौरान थर्मल "हस्तक्षेप" की समस्या कम आवृत्तियों पर बहुत अधिक ध्यान देने योग्य हो जाती है। एक गर्म माध्यम के कारण फोटॉनों की आकस्मिक घटना और विलोपन, क्षय * का कारण बनता है । और यह यादृच्छिक राज्यों के संयोजन के गठन की ओर जाता है, जिससे क्वांटम राज्य को अलग करना मुश्किल है।

Decoherence * एक क्वांटम-मैकेनिकल सिस्टम और पर्यावरण की बातचीत के कारण कंपन / तरंग प्रक्रियाओं (समन्वय) के समन्वय का उल्लंघन है।

यह तर्कसंगत है कि पर्यावरण द्वारा बनाई गई एन्ट्रापी को निकालने के लिए ठंडा सिस्टम का उपयोग करके एक समान समस्या को हल किया जा सकता है। व्यवहार में, इस समाधान को एक थर्मल जलाशय कहा जाता है।

वैज्ञानिकों ने अपनी क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक योजना में जलाशय प्रौद्योगिकी को लागू किया है, जिसने उन्हें क्वांटम स्तर पर विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों को कुशलतापूर्वक ठंडा करने और हेरफेर करने की अनुमति दी है।

अपने अध्ययन में, वैज्ञानिक एक थर्मली उत्साहित मेगाहर्ट्ज़ फोटोन रेज़ोनेटर का नियंत्रण हासिल करने में सक्षम थे, जिसने रेडियो-आवृत्ति विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों के परिमाणीकरण का निरीक्षण करना संभव बना दिया। और जलाशयों के माध्यम से क्वांटम राज्य का हेरफेर हासिल किया गया था। वैज्ञानिकों ने फॉक के एकल-फोटोन और दो-फोटॉन राज्यों को स्थिर करने में भी कामयाबी हासिल की।

सब कुछ के दिल में गुंजयमान यंत्र और सुपरकंडक्टिंग क्वबिट के फोटोन के फैलाव युग्मन के माध्यम से गुंजयमान यंत्र का वाचन और नियंत्रण निहित है। हालांकि, जब एक गीगाहर्ट्ज़ क्वबिट और एक मेगाहर्ट्ज़ फोटॉन होता है, तो पारंपरिक क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक योजना में उनके बीच का कनेक्शन (कनेक्शन) बेहद कमजोर होगा। लेकिन वैज्ञानिकों ने कनेक्शन की एक नई विधि का प्रस्ताव करके इस बाधा को भी पार कर लिया।

अनुसंधान के परिणाम

चित्र संख्या 1

वैज्ञानिकों द्वारा बनाई गई इस योजना के माध्यम से, एक बहुत मजबूत कनेक्शन क्वेट और फोटॉन ( 1 ए ) के बीच उत्पन्न होता है। आरेख में निम्नलिखित तत्व शामिल हैं:

एल _जे - जोसेफसन संपर्क, 41 एनएच (नैनोजेनरी);
सी _एल - संधारित्र, 11 पीएफ (पिकोफैराड);
एल - सर्पिल प्रारंभ करनेवाला, 28 एनएच।

कम आवृत्तियों पर, सर्पिल प्रारंभ करनेवाला का परजीवी समाई * नगण्य है, और वैकल्पिक सर्किट ( 1 बी ) के लिए, पहले संक्रमण की आवृत्ति = _L = 2π x 173 MHz के बराबर होगी। अगर गीगाहर्ट्ज़ आवृत्तियों हैं, तो सीएल एक शॉर्ट सर्किट हो जाता है, और सर्पिल प्रारंभ करनेवाला सी _एच = 40 एफएफ (फेमटोफारड) की समाई। इस मामले में, समानांतर कनेक्शन ( 1 सी ) एल _जे , एल और सी _एच में 2π x 5.91 गीगाहर्ट्ज का पहला संक्रमण आवृत्ति है। सर्किट का यह विन्यास दोनों मॉडलों को जोसेफसन के संपर्क को साझा करने की अनुमति देता है।

सहज समाई * एक अवांछनीय कैपेसिटिव युग्मन है जो इलेक्ट्रॉनिक (इस मामले में, इलेक्ट्रोडायनामिक) सर्किट के तत्वों के बीच होता है।

इस संपर्क में एक इंडक्शन होता है, जो इसके माध्यम से गुजरने वाले वर्तमान के दोलनों पर निर्भर करता है। इसे देखते हुए, उच्च-आवृत्ति (एचएफ) मोड के गुंजयमान आवृत्ति को कम-आवृत्ति (एलएफ) मोड में उत्तेजनाओं की संख्या के अनुसार स्थानांतरित किया जाता है और इसके विपरीत।

इस तरह के क्रॉस-केर इंटरैक्शन को प्रति 1 फोटॉन: x = 2√A _H A _L , जहां aharmonicity * HF और LF मोड, A _L = h x 495 kHz और A _H = h x 192 MHz के बराबर हैं, की संख्या द्वारा निर्धारित किया जाता है।

एनारोमोनिकिटी * - हार्मोनिक ऑसिलेटर से सिस्टम का विचलन।

क्रॉस-केर इंटरैक्शन खुद को मापा माइक्रोवेव प्रतिबिंब एस ₁₁ में फोटॉनों की संख्या के विभाजन के रूप में प्रकट करता है।

जैसा कि ग्राफ 1 डी से देखा जा सकता है, मजबूत क्रॉस-केर इंटरेक्शन के कारण, गुहा में फॉक फोटॉन राज्य की क्वांटम दोलनों (0⟩; | 1⟩; | 2⟩ ...), क्वबिट ट्रांज़िशन की आवृत्ति में बदलाव की ओर जाता है।

सिस्टम के eigenstates को लेबल किया गया था। j, n where, जहां j = g, e, f, ... उच्च आवृत्ति मोड का उत्तेजना है, और n = 0, 1, 2 ... निम्न-आवृत्ति मोड है।

चोटियों n का आयाम P _n से _ext / k _{n के} लिए आनुपातिक है, जहां P _n कम आवृत्ति मोड में फोटॉनों की संख्या की स्थिति है, और _ext / k _n में बाहरी कनेक्शन के बीच अंतर / 2 / = 1.6 मेगाहर्ट्ज और शिखर n पर _n की चौड़ाई के बीच का अंतर है। पीक हाइट्स पी _n की बोस-आइंस्टीन वितरण के अनुसार, वैज्ञानिकों ने फोटॉनों की औसत संख्या n _th = 1.6 निर्धारित की, जो 17 mK (मिलिकेल्विन) के एक मोड तापमान से मेल खाती है।

बोस-आइंस्टीन सांख्यिकी * थर्मोडायनामिक संतुलन की स्थिति में ऊर्जा के स्तर पर शून्य या पूर्णांक स्पिन के साथ समान कणों का वितरण है।

व्यक्तिगत फोटॉनों की चोटियों का संकल्प n ħ x / the के लिए स्थिति के कारण है। तदनुसार, चोटियों की चौड़ाई n : k _n = k (1 + 4 n _th (H)) + 2 (( n + (1 + 2 n ) n _th ) बढ़ने के साथ बढ़ेगी। इस सूत्र में, k / 2π = 3.7 मेगाहर्ट्ज उच्च आवृत्ति मोड अपव्यय है, और γ / 2π = 23 kHz कम आवृत्ति मोड अपव्यय है।

इस स्थिति में, _{n H} A _H / condition के लिए स्थिति उच्च आवृत्ति मोड से एक ट्रांसमन (सुपरकंडक्टिंग चार्ज क्वबिट) बनाती है। यह एक को चुनिंदा रूप से संक्रमण को सक्रिय करने की अनुमति देता है। g, n e | e, n | and | e, n⟩ | f, n⟩⟷।

लेकिन कम-आवृत्ति मोड के साथ, सब कुछ अलग है। थर्मल विस्तार के हिस्से पर प्रतिबंध के कारण इसकी लाइन की चौड़ाई केवल कुछ मेगाहर्ट्ज है, ए _{एल की} तुलना में बहुत बड़ा है _। यह इसे एक प्रकार का हार्मोनिक ऑसिलेटर बनाता है।

राज्यों के बीच कणों के संक्रमण को transitionp आवृत्ति पर सर्किट को पंप करके संपर्क की अशुद्धता के माध्यम से किया गया था। इस प्रक्रिया में, एक समय में केवल 4 फोटोन ही इंटरैक्ट कर सकते हैं, जब कैविटी (कम-आवृत्ति मोड) में 1 फोटॉन का सत्यानाश हो जाता है, और 2 फोटॉन पहले से ही ट्रांसनॉम की तरफ बन जाते हैं।


चित्र संख्या 2

यह पंपिंग विधि, मोड रिलैक्स फ़्रीक्वेंसी में एक बड़े अंतर के साथ संयुक्त है, जिससे मेगाहर्ट्ज़ कैविटी को इसकी जमीनी अवस्था में ठंडा किया जा सकता है। प्रक्रिया आरेख 2 ए में दिखाया गया है।

शीतलन केवल तभी होगा जब अनुनादक का ऊष्मीकरण दर उत्तेजनाओं के संक्रमण की दर से कम हो। g।, 1, से लेकर g।, 0⟩ | एक दूसरा शीतलन विकल्प है - संक्रमण के माध्यम से | जी, 1 e | ई, 0 option। हालांकि, यह प्रक्रिया दो-फोटॉन है, और इसलिए अधिक पंपिंग पावर की आवश्यकता होती है।

चित्रा 2 बी विभिन्न कूलिंग पंप पावर स्तरों पर एस ₁₁ (माइक्रोवेव प्रतिक्रिया) का माप दिखाता है। जैसा कि हम इस ग्राफ से देखते हैं, सबसे अच्छा परिणाम प्राप्त होता है जब जमीनी राज्य का जनसंख्या स्तर 0.82 होता है।

यदि जनसंख्या का उपयोग सहकारिता * के कार्य के रूप में किया जाता है, तो यह देखा जाएगा कि उच्चतर (मजबूत) सहकारिता के साथ, जमीनी राज्य की जनसंख्या सूचकांक में तीव्र कमी शुरू हो जाएगी। इसलिए, ऐसी स्थिति में शीतलन प्रक्रिया असंभव होगी।

सहकारिता * - प्रणाली की स्थिति में परिवर्तन जब उसके तत्वों के बीच बातचीत इस तरह से परिवर्तन प्रक्रिया के पाठ्यक्रम के साथ तेज होती है जो इस प्रक्रिया को तेज करती है।

वैज्ञानिक तीन मुख्य कारकों पर ध्यान देते हैं जो शीतलन को सीमित करते हैं और जो हम ग्राफ 2C पर देखते हैं, उसका नेतृत्व करते हैं - सहकारिता जितनी अधिक होती है, उतनी ही खराब चीजें जनसंख्या के साथ होती हैं।

पहला कारक पंचक की तापीय आबादी है। स्वैपिंग से जनसंख्या स्थानांतरित होती है। g, 1 trans से f।, 0 population, लेकिन रिवर्स प्रक्रिया भी उत्पन्न होती है क्योंकि स्तर f में एक थर्मल जनसंख्या होती है (यद्यपि बहुत छोटी) - 0.006। यह इस रिश्ते से इस प्रकार है: P1 / P0 / Pf / Pg ( 2C पर धराशायी लाइन)।

दूसरा कारक यह है कि एक मजबूत कनेक्शन (कनेक्शन) के दौरान, स्वैपिंग राज्यों को संकरणित करेगा। g, 1⟩ और F f, 0,। यदि जी 2k की क्षय दर से अधिक है, तो राज्य की जनसंख्या | जी, 1s से संक्रमण शुरू हो जाएगा। एफ, 0 | और वापस लौटने के लिए। जी, 1⟩, राज्य में क्षय के समय के बिना। e, 0⟩ |


चित्र संख्या 3: मल्टीप्रेडेड पम्पिंग द्वारा गैर-अनुनाद प्रभाव की सीमा को समाप्त करना

इस सीमित कारक को द्रव्यमान वर्ण द्वारा परिवृत्त किया जा सकता है, अर्थात, कई शीतलन प्रक्रियाएँ | g, n f | f, n -1 simultaneously को एक साथ शुरू किया जा सकता है। अधिक ऐसे प्रवाह, जमीनी राज्य की आवश्यक आबादी को प्राप्त करने के लिए कम पंपिंग शक्ति की आवश्यकता होती है। नतीजतन, गैर-गुंजयमान जोखिम का प्रभाव कम हो जाता है।

इसके अलावा, विभिन्न प्रक्रियाओं को संयोजित करना संभव है। g, n f | f, n -1 | and | g, n⟩ | f, n + 1 to, जो मेगाहर्ट्ज गुंजयमान यंत्र के फॉक राज्यों के स्थिरीकरण की अनुमति देगा।


चित्र संख्या 4

अंत में, वैज्ञानिकों ने 80 ns (नैनोसेकंड) के एक समय संकल्प (अंतराल) के साथ मेगाहर्ट्ज़ गुंजयमान यंत्र के जलाशयों और थर्मलकरण को ध्यान में रखते हुए पूरी प्रणाली की गतिशीलता की जाँच की। एक निश्चित आवृत्ति पर माइक्रोवेव प्रतिबिंब की माप के दौरान, पंप 50 μs (माइक्रोसेकंड) के लिए चालू और बंद हो गया।

ऊपर की छवियां इस परीक्षण के परिणाम दिखाती हैं: 4 ए जमीन राज्य को ठंडा करने की गतिशीलता है और 4 बी एकल-फोटोन फॉक राज्य का स्थिरीकरण है।

पंपिंग के कारण स्थिर स्थिति का अध्ययन करने के बाद, बाद में बंद हो गया, जिससे डिवाइस के थर्मलकरण की प्रक्रिया का निरीक्षण करना संभव हो गया।

वैज्ञानिकों ने कई निष्कर्षों में अपने काम को अभिव्यक्त किया है। सबसे पहले, हालांकि प्रणाली जमीनी स्थिति को ठंडा करने और फॉक राज्यों के स्थिरीकरण के अच्छे परिणाम दिखाती है, कुछ समस्याएं हैं जिन्हें आगे के अध्ययन की आवश्यकता है। सबसे पहले, यह एक अतिरिक्त गुंजयमान प्रभाव है। इस समस्या को ए _एच और by के सटीक मानों को निर्धारित करके हल किया जा सकता है, जो शीतलन प्रक्रिया की आवृत्ति रेंज से गैर-गुंजयमान प्रक्रियाओं को हटा देगा। दूसरी विधि यह है कि एक मजबूत कनेक्शन (बॉन्ड) के प्रभाव को प्रक्रिया को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करने से पहले जमीनी राज्य की उच्च आबादी प्राप्त करना है। वैज्ञानिक इस तथ्य के कारण क्वबिट डिसऑर्डर को कम करने के विकल्प पर विचार नहीं करते हैं, हालांकि यह विधि गैर-गुंजयमान प्रक्रियाओं के नकारात्मक प्रभाव को समाप्त करती है, एक कम पंप शक्ति पर एक मजबूत युग्मन होगा।

अध्ययन के विवरण के साथ अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं दृढ़ता से अनुशंसा करता हूं कि आप वैज्ञानिकों की रिपोर्ट और इसके लिए अतिरिक्त सामग्रियों पर ध्यान दें ।

उपसंहार

क्वांटम दुनिया, इसके कानून, सीमाएं और फायदे समझना मुश्किल है, लेकिन यह संभव है और, सबसे महत्वपूर्ण, आवश्यक है। इस क्षेत्र में सबसे कठिन क्षेत्रों में से एक क्वांटम और शास्त्रीय भौतिकविदों का संयोजन है, अर्थात्, शास्त्रीय भौतिकी द्वारा वर्णित प्रक्रियाओं को बदलने, नियंत्रित करने और सुधार करने के लिए क्वांटम प्रौद्योगिकियों का उपयोग है।

इस अध्ययन में, वैज्ञानिक एक क्वांटम डिवाइस की वास्तुकला बनाने में सक्षम थे जो एक क्वांटम स्तर पर एक रेडियो आवृत्ति गुंजयमान यंत्र में हेरफेर कर सकता है। शोधकर्ता स्वयं अपने वंश के भविष्य को लेकर आशान्वित हैं। उनके अनुसार, यह एक समान, लेकिन बहुत अधिक जटिल और बड़े पैमाने पर प्रणाली के निर्माण के लिए प्रेरणा दे सकता है जो बोस-हबर्ड सिस्टम में निकायों के अध्ययन में मदद कर सकता है। वैज्ञानिक यह भी बताते हैं कि उनकी रचना मेघर्ट्ज़ फ़्रीक्वेंसी रेंज में क्वांटम प्रौद्योगिकियों और भौतिक प्रणालियों के बीच एक कड़ी के रूप में काम कर सकती है। इस उपकरण का उपयोग एनएमआर (परमाणु चुंबकीय अनुनाद) और यहां तक ​​कि रेडियो खगोल विज्ञान में सुधार के लिए भी किया जा सकता है।

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