Dunia teknologi kuantum sama kaya dan membingungkannya dengan sejarah seluruh peradaban. Beberapa penemuan di bidang ini mungkin mengejutkan kita, yang lain memperkenalkan ke keadaan pingsan intelektual. Dan semua karena dunia kuantum hidup sesuai dengan hukumnya sendiri, dan seringkali ia tidak peduli dengan fisika klasik. Kami terbiasa mengaitkan kata "kuantum" dengan perhitungan yang dapat dilakukan lebih cepat dan lebih banyak. Namun, ini jauh dari satu-satunya aplikasi teknologi kuantum. Hari ini, kita akan melihat sebuah studi di mana mekanika kuantum memungkinkan para ilmuwan untuk membuat arsitektur yang dapat digunakan untuk memanipulasi resonator frekuensi radio pada tingkat kuantum. Kedengarannya sederhana, tetapi pada kenyataannya, mencapai ini dipenuhi dengan sejumlah "teka-teki". Apa sebenarnya aspek ilmu kuantum yang digunakan oleh para ilmuwan, bagaimana mereka menyadarinya, dan apa sebenarnya yang kita pelajari dari laporan kelompok penelitian ini. Ayo pergi.
Dasar studi
Pertama-tama, para ilmuwan bertanya pada diri mereka sendiri - bidang apa yang paling lemah dalam mekanika kuantum? Jawabannya adalah foton tunggal. Dan, tampaknya, deteksi dan manipulasi foton tunggal seharusnya tidak menjadi tugas yang sulit. Namun, pada frekuensi megahertz ini cukup bermasalah karena fakta bahwa ada fluktuasi termal yang signifikan bahkan pada suhu cryogenic.
Dalam studi ini, para ilmuwan menggunakan qubit superkonduktor gigahertz untuk secara langsung mengamati kuantisasi medan elektromagnetik frekuensi radio megahertz. Penggunaan qubit memungkinkan seseorang untuk mendapatkan kendali atas radiasi termal, pendinginan ke keadaan mekanika kuantum tanah, dan stabilisasi
keadaan Fock * foton.
Keadaan Fock * adalah keadaan dalam mekanika kuantum ketika jumlah partikel ditentukan dengan tepat.
Masalah "gangguan" termal selama manipulasi dengan foton tunggal menjadi jauh lebih terlihat pada frekuensi rendah. Kejadian yang tidak disengaja dan pemusnahan foton karena media panas menyebabkan
dekoherensi * . Dan ini mengarah pada pembentukan kombinasi keadaan acak, dari mana sulit untuk mengisolasi keadaan kuantum.
Decoherence * adalah proses pelanggaran koordinasi proses getaran / gelombang (koherensi) karena interaksi sistem mekanika-kuantum dan lingkungan.
Adalah logis bahwa masalah serupa dapat diselesaikan dengan menggunakan sistem dingin untuk mengekstraksi entropi yang dibuat oleh lingkungan. Dalam praktiknya, solusi ini disebut reservoir termal.
Para ilmuwan telah menerapkan teknologi reservoir dalam skema elektrodinamik kuantum mereka, yang memungkinkan mereka mendinginkan dan memanipulasi medan elektromagnetik secara efisien pada tingkat kuantum.
Dalam studi mereka, para ilmuwan dapat memperoleh kendali atas resonator foton megahertz yang bersemangat secara termal, yang memungkinkan untuk mengamati kuantisasi medan elektromagnetik frekuensi radio. Dan manipulasi keadaan kuantum dicapai melalui reservoir. Para ilmuwan juga berhasil menstabilkan foton tunggal dan dua foton Fock.
Di jantung segalanya terletak pembacaan dan kontrol resonator melalui kopel dispersi dari foton resonator dan qubit superkonduktor. Namun, ketika ada qubit gigahertz dan foton megahertz, koneksi (koneksi) di antara mereka dalam skema elektrodinamika kuantum tradisional akan sangat lemah. Tetapi para ilmuwan juga mengatasi hambatan ini dengan mengusulkan metode koneksi baru.
Hasil penelitian
Gambar No. 1Melalui skema yang dibuat oleh para ilmuwan, koneksi yang sangat kuat muncul antara qubit dan foton (
1A ). Diagram terdiri, antara lain, dari unsur-unsur berikut:
L
J - Josephson, 41 nH (nanogenry);
C
L - kapasitor, 11 pF (picofarad);
L - spiral induktor, 28 nH.
Pada frekuensi rendah,
kapasitansi parasit * dari induktor spiral dapat diabaikan, dan untuk sirkuit alternatif (
1B ), frekuensi transisi pertama akan sama dengan ω
L = 2π x 173 MHz. Jika ada frekuensi gigahertz, CL menjadi hubung singkat, dan kapasitansi dari induktor spiral C
H = 40 fF (femtofarad). Dalam hal ini, koneksi paralel (
1C ) L
J , L dan C
H memiliki frekuensi transisi pertama 2π x 5,91 GHz. Konfigurasi sirkuit ini memungkinkan kedua model untuk berbagi kontak Josephson.
Kapasitansi palsu * adalah kopling kapasitif yang tidak diinginkan yang terjadi di antara elemen rangkaian elektronik (dalam hal ini, elektrodinamik).
Kontak ini memiliki induktansi, yang bervariasi tergantung pada osilasi arus yang melewatinya. Dalam pandangan ini, frekuensi resonansi mode frekuensi tinggi (HF) digeser sesuai dengan jumlah kegembiraan dalam mode frekuensi rendah (LF) dan sebaliknya.
Interaksi lintas-Kerr seperti itu dikuantifikasi dengan jumlah offset per 1 foton: x = 2√A
H A
L , di mana mode
anharmonisitas * HF dan LF sama dengan A
L = h x 495 kHz dan A
H = h x 192 MHz.
Anharmonicity * - penyimpangan sistem dari osilator harmonik.
Interaksi Cross-Kerr memanifestasikan dirinya sebagai pemisahan jumlah foton dalam refleksi gelombang mikro yang diukur S
11 .
Seperti dapat dilihat dari grafik
1D , karena interaksi lintas-Kerr yang kuat, osilasi kuantum dari keadaan foton Fock (| 0⟩, | 1⟩, | 2⟩ ...) di rongga mengarah ke perubahan frekuensi transisi qubit.
Status eigen sistem diberi label sebagai | j, n⟩, di mana j = g, e, f, ... adalah eksitasi dari mode frekuensi tinggi, dan n = 0, 1, 2 ... adalah mode frekuensi rendah.
Amplitudo puncak
n sebanding dengan P
n ke ext /
k n , di mana P
n adalah posisi jumlah foton dalam mode frekuensi rendah, dan
untuk ext /
k n adalah perbedaan antara koneksi eksternal
ke ext / 2π = 1,6 MHz dan lebar
ke n pada puncak
n . Sesuai dengan distribusi Bose-Einstein dari ketinggian puncak P
n , para ilmuwan menentukan jumlah rata-rata foton
n th = 1,6, yang sesuai dengan mode suhu 17 mK (millikelvin).
Statistik Bose-Einstein * adalah distribusi partikel identik dengan nol atau bilangan bulat dari tingkat energi dalam keadaan kesetimbangan termodinamika.
Resolusi puncak masing-masing foton disebabkan oleh kondisi
untuk n ≪ x / ħ. Dengan demikian, lebar puncak akan meningkat dengan meningkatnya
n :
k n =
k (1 + 4
n th (H)) + 2γ (
n + (1 + 2
n )
n th ). Dalam rumus ini,
k / 2π = 3,7 MHz adalah disipasi mode frekuensi tinggi, dan γ / 2π = 23 kHz adalah disipasi mode frekuensi rendah.
Dalam hal ini, kondisi
untuk n ≪ A
H / ħ membuat transmon (qubit muatan superkonduktor) dari mode frekuensi tinggi. Ini memungkinkan seseorang untuk secara selektif mengaktifkan transisi | g,
n ⟩⟷ | e, n⟩ dan | e,
n ⟩⟷ | f, n⟩.
Tetapi dengan mode frekuensi rendah, semuanya berbeda. Lebar garisnya hanya beberapa MHz, karena pembatasan pada bagian ekspansi termal, jauh lebih besar dari A
L. Ini membuatnya menjadi semacam osilator harmonik.
Transisi partikel antar keadaan dilakukan melalui nonlinier kontak dengan memompa rangkaian pada frekuensi ωp. Dalam proses ini, hanya 4 foton yang dapat berinteraksi pada satu waktu, ketika 1 foton dalam rongga (mode frekuensi rendah) dimusnahkan, dan 2 foton sudah terbentuk di sisi transmon.
Gambar No. 2Metode pemompaan ini, dikombinasikan dengan perbedaan besar dalam frekuensi relaksasi mode, memungkinkan rongga megahertz didinginkan ke kondisi dasarnya. Diagram proses ditunjukkan dalam
2A .
Pendinginan hanya akan terjadi jika laju termalisasi resonator lebih rendah dari laju transisi rangsangan dari | g, 1⟩ ke | g, 0⟩. Ada opsi pendinginan kedua - melalui transisi | g, 1⟩⟷ | e, 0⟩. Namun, proses ini adalah dua-foton, dan karenanya membutuhkan daya pemompaan yang lebih besar.
Gambar 2B menunjukkan pengukuran S
11 (respons gelombang mikro) pada level daya pompa pendingin yang berbeda. Seperti yang kita lihat dari grafik ini, hasil terbaik dicapai ketika tingkat populasi keadaan dasar adalah 0,82.
Jika populasi digunakan sebagai fungsi
kooperatif * , maka akan terlihat bahwa dengan kooperatifitas yang lebih tinggi (lebih kuat), penurunan tajam dalam indeks populasi keadaan dasar akan dimulai. Karenanya, proses pendinginan tidak mungkin dilakukan dalam situasi seperti itu.
Kooperatifitas * - perubahan kondisi sistem ketika interaksi antara elemen-elemennya meningkat dengan jalannya proses perubahan sedemikian rupa sehingga mempercepat proses ini.
Para ilmuwan mencatat tiga faktor utama yang membatasi pendinginan dan mengarah pada apa yang kita lihat pada grafik
2C - semakin tinggi kooperatifitas, semakin buruk hal-hal yang terjadi pada populasi.
Faktor pertama adalah populasi termal qubit. Swapping memindahkan populasi dari | g, 1⟩ ke | f, 0⟩, tetapi proses sebaliknya juga muncul karena level f memiliki populasi termal (walaupun sangat kecil) - 0,006. Ini mengikuti dari hubungan ini: P1 / P0 ﹥ Pf / Pg (garis putus-putus di
2C ).
Faktor kedua adalah bahwa selama koneksi yang kuat (koneksi), swapping akan menghibridisasi status | g, 1⟩ dan | f, 0⟩. Jika g melebihi laju peluruhan 2k, maka populasi negara | g, 1⟩ akan memulai transisi ke | f, 0⟩ dan akan kembali ke | g, 1⟩, tanpa punya waktu untuk meluruh ke keadaan | e, 0⟩.
Gambar No. 3: Melewati Batas Dampak Non-Resonansi dengan Pemompaan MultithreadedFaktor pembatas ini dapat dihindarkan oleh karakter massa, yaitu, beberapa proses pendinginan | g,
n ⟩⟷ | f,
n -1⟩ dapat dimulai secara bersamaan. Semakin banyak arus tersebut, semakin sedikit daya pemompaan yang dibutuhkan untuk mencapai populasi yang diperlukan dari kondisi dasar. Akibatnya, efek paparan non-resonansi berkurang.
Selain itu, dimungkinkan untuk menggabungkan berbagai proses, | g,
n ⟩⟷ | f,
n -1⟩ dan | g,
n ⟩⟷ | f,
n + 1⟩, yang akan memungkinkan stabilisasi keadaan Fock dari resonator megahertz.
Gambar No. 4Akhirnya, para ilmuwan memeriksa dinamika seluruh sistem dengan mempertimbangkan reservoir dan termalisasi resonator megahertz dengan resolusi waktu (interval) 80 ns (nanoseconds). Selama pengukuran pantulan gelombang mikro pada frekuensi tertentu, pompa dihidupkan dan dimatikan selama 50 μs (mikrodetik).
Gambar di atas menunjukkan hasil tes ini:
4A adalah dinamika pendinginan ke keadaan dasar dan
4B adalah stabilisasi dari keadaan Fock foton tunggal.
Setelah mempelajari keadaan stasioner yang disebabkan oleh pemompaan, yang terakhir berhenti, yang memungkinkan untuk mengamati proses termalisasi perangkat.
Para ilmuwan telah menyimpulkan pekerjaan mereka dalam beberapa kesimpulan. Pertama, meskipun sistem menunjukkan hasil pendinginan yang baik ke kondisi dasar dan stabilisasi kondisi Fock, ada masalah tertentu yang memerlukan studi lebih lanjut. Pertama-tama, ini adalah efek ekstra-resonan. Masalah ini dapat diselesaikan dengan menentukan nilai yang tepat dari A
H dan Χ, yang akan menghapus proses non-resonansi dari rentang frekuensi proses pendinginan. Metode kedua adalah untuk mencapai populasi yang tinggi dari keadaan dasar sebelum efek koneksi yang kuat (ikatan) mulai secara signifikan mempengaruhi proses. Para ilmuwan tidak mempertimbangkan opsi untuk mengurangi disipasi qubit karena fakta bahwa meskipun metode ini menghilangkan efek negatif dari proses non-resonan, kopling yang kuat akan terjadi pada daya pompa yang lebih rendah.
Untuk seorang kenalan yang lebih terperinci dengan perincian studi ini, saya sangat menyarankan agar Anda melihat
laporan para ilmuwan dan materi tambahan untuk itu .
Epilog
Dunia kuantum, hukum, batasan, dan keunggulannya sulit dipahami, tetapi itu mungkin dan, yang paling penting, perlu. Salah satu bidang yang paling sulit di bidang ini adalah kombinasi dari fisikawan kuantum dan klasik, yaitu penggunaan teknologi kuantum untuk mengubah, mengendalikan, dan meningkatkan proses yang dijelaskan oleh fisika klasik.
Dalam studi ini, para ilmuwan mampu menciptakan arsitektur perangkat kuantum yang dapat memanipulasi resonator frekuensi radio pada tingkat kuantum. Para peneliti sendiri optimis tentang masa depan keturunan mereka. Menurut mereka, ini dapat memberikan dorongan untuk penciptaan sistem yang serupa, tetapi jauh lebih kompleks dan berskala besar yang dapat membantu dalam mempelajari tubuh dalam sistem Bose-Hubbard. Para ilmuwan juga menunjukkan bahwa kreasi mereka dapat berfungsi sebagai penghubung antara teknologi kuantum dan sistem fisik dalam rentang frekuensi megahertz. Perangkat ini juga dapat digunakan untuk meningkatkan NMR (resonansi magnetik nuklir) dan bahkan dalam astronomi radio.
Terima kasih atas perhatian Anda, tetap ingin tahu dan selamat bekerja, kawan.
Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda,
diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga musim panas gratis ketika membayar untuk jangka waktu enam bulan, Anda dapat memesan di
sini .
Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki
2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang
Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?