O mundo da tecnologia quântica é tão rico e confuso quanto a história de toda uma civilização. Algumas descobertas nesta área podem nos surpreender, outras se introduzem num estado de estupor intelectual. E tudo porque o mundo quântico vive de acordo com suas próprias leis, e muitas vezes não se importa com a física clássica. Estamos acostumados a associar a palavra "quantum" a cálculos que podem ser feitos mais rapidamente e mais. No entanto, isso está longe de ser a única aplicação da tecnologia quântica. Hoje, examinaremos um estudo no qual a mecânica quântica permitiu que os cientistas criassem uma arquitetura que pudesse ser usada para manipular um ressonador de radiofrequência no nível quântico. Parece simples, mas, de fato, conseguir isso foi repleto de vários "quebra-cabeças". Quais aspectos exatamente das ciências quânticas foram usados pelos cientistas, como eles os perceberam e o que exatamente aconteceu disso aprendemos com o relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá
Base de estudo
Antes de tudo, os cientistas se perguntam: qual é o campo mais fraco da mecânica quântica? A resposta é um fóton único. E, ao que parece, a detecção e manipulação de um único fóton não deve ser uma tarefa difícil. No entanto, em frequências de megahertz, isso é bastante problemático devido ao fato de haver flutuações térmicas significativas mesmo em temperaturas criogênicas.
Neste estudo, os cientistas usaram um qubit supercondutor de gigahertz para observar diretamente a quantização de um campo eletromagnético de radiofrequência de megahertz. O uso de um qubit permite obter controle sobre radiação térmica, resfriamento até o estado mecânico quântico no solo e estabilização
do estado Fock * do fóton.
O estado Fock * é um estado na mecânica quântica quando o número de partículas é determinado com precisão.
O problema da “interferência” térmica durante manipulações com fótons únicos se torna muito mais visível em baixas frequências. A ocorrência acidental e a aniquilação de fótons devido a um meio quente causa
decoerência * . E isso leva à formação de uma combinação de estados aleatórios, a partir dos quais é difícil isolar o estado quântico.
A descoerência * é um processo de violação da coordenação dos processos de vibração / onda (coerência) devido à interação de um sistema mecânico quântico e do meio ambiente.
É lógico que um problema semelhante possa ser resolvido usando sistemas mais frios para extrair a entropia criada pelo ambiente. Na prática, essa solução é chamada de reservatório térmico.
Os cientistas aplicaram a tecnologia de reservatório em seu esquema eletrodinâmico quântico, o que lhes permitiu resfriar e manipular eficientemente os campos eletromagnéticos no nível quântico.
Em seu estudo, os cientistas foram capazes de obter o controle de um ressonador de fótons megahertz excitado termicamente, o que possibilitou observar a quantização de campos eletromagnéticos de radiofrequência. E a manipulação do estado quântico foi alcançada através de reservatórios. Os cientistas também conseguiram estabilizar os estados de fóton único e de dois fótons.
No centro de tudo está a leitura e o controle do ressonador através do acoplamento de dispersão dos fótons do ressonador e do qubit supercondutor. Entretanto, quando houver um qubit de gigahertz e um fóton de megahertz, a conexão (conexão) entre eles no esquema eletrodinâmico quântico tradicional será extremamente fraca. Mas os cientistas também superaram esse obstáculo ao propor um novo método de conexão.
Resultados da pesquisa
Imagem Nº 1Através do esquema criado pelos cientistas, surge uma conexão muito forte entre o qubit e o fóton (
1A ). O diagrama consiste, entre outros, nos seguintes elementos:
LJ - contato Josephson, 41 nH (nanogenry);
C
L - capacitor, 11 pF (picofarad);
L - indutor em espiral, 28 nH.
Em baixas frequências, a
capacitância parasitária * do indutor em espiral é desprezível e, para o circuito alternativo (
1B ), a frequência da primeira transição será igual a ω
L = 2π x 173 MHz. Se houver frequências de gigahertz, CL torna-se um curto-circuito e a capacitância do indutor espiral
CH = 40 fF (femtofarad). Nesse caso, a conexão paralela (
1C ) L
J , L e
CH tem uma primeira frequência de transição de 2π x 5,91 GHz. Essa configuração dos circuitos permite que os dois modelos compartilhem o contato de Josephson.
Capacitância espúria * é um acoplamento capacitivo indesejável que ocorre entre elementos de um circuito eletrônico (neste caso, eletrodinâmico).
Esse contato tem uma indutância, que varia dependendo das oscilações da corrente que passa por ele. Em vista disso, a frequência ressonante do modo de alta frequência (HF) é alterada de acordo com o número de excitações no modo de baixa frequência (LF) e vice-versa.
Essa interação cross-Kerr é quantificada pelo número de compensações por 1 fóton: x = 2√A
H A
L , onde os modos de
anarmonicidade * HF e LF são iguais a A
L = h x 495 kHz e A
H = h x 192 MHz.
Anarmonicidade * - desvio do sistema do oscilador harmônico.
A interação Cross-Kerr se manifesta como uma divisão do número de fótons na reflexão de microondas S
11 medida.
Como pode ser visto no gráfico
1D , devido à forte interação cross-Kerr, as oscilações quânticas do estado do fóton de Fock (| 0⟩, | 1⟩, | 2⟩ ...) no ressonador levam a uma mudança na frequência da transição de qubit.
Os eensensatos do sistema foram rotulados como | j, n⟩, onde j = g, e, f, ... é a excitação do modo de alta frequência e n = 0, 1, 2 ... é o modo de baixa frequência.
A amplitude dos picos
n é proporcional a P
n a ext /
k n , em que P
n é a posição do número de fótons no modo de baixa frequência e
a ext /
k n é a diferença entre a conexão externa
com ext / 2π = 1,6 MHz e a largura
com n no pico
n . De acordo com a distribuição de Bose-Einstein das alturas dos picos Pn, os cientistas determinaram o número médio de fótons
n th = 1,6, o que corresponde a uma temperatura de 17 mK (milikelvin).
A estatística de Bose-Einstein * é a distribuição de partículas idênticas com rotação zero ou número inteiro sobre os níveis de energia em um estado de equilíbrio termodinâmico.
A resolução dos picos de fótons individuais é devida à condição
para n ≪ x / ħ. Consequentemente, a largura dos picos aumentará com o aumento de
n :
k n =
k (1 + 4
ª (H)) + 2γ (
n + (1 + 2
n )
ª ). Nesta fórmula,
k / 2π = 3,7 MHz é a dissipação do modo de alta frequência e γ / 2π = 23 kHz é a dissipação do modo de baixa frequência.
Nesse caso, a condição
para n ≪ A
H / ħ produz um transmon (qubit de carga supercondutora) a partir do modo de alta frequência. Isso permite ativar seletivamente as transições | g,
n ⟩⟷ | e, n⟩ e | e,
n ⟩⟷ | f, n⟩.
Mas com o modo de baixa frequência, tudo é diferente. Sua largura de linha é de apenas alguns MHz, devido à restrição por parte da expansão térmica, muito maior que A
L. Isso o torna um tipo de oscilador harmônico.
A transição de partículas entre estados foi realizada através da não linearidade do contato, bombeando o circuito na frequência ωp. Nesse processo, apenas 4 fótons podem interagir por vez, quando um fóton na cavidade (modo de baixa frequência) é aniquilado e 2 fótons já são formados no lado do transmon.
Imagem No. 2Esse método de bombeamento, combinado com uma grande diferença nas frequências de relaxamento de modo, permite que a cavidade de megahertz seja resfriada até seu estado fundamental. O diagrama do processo é mostrado em
2A .
O resfriamento ocorrerá apenas se a taxa de termização do ressonador for menor que a taxa de transição de excitações de | g, 1⟩ para | g, 0⟩. Existe uma segunda opção de resfriamento - através da transição | g, 1⟩⟷ | e, 0⟩. No entanto, esse processo é de dois fótons e, portanto, requer mais poder de bombeamento.
A Figura 2B mostra medições de S
11 (resposta de microondas) em diferentes níveis de potência da bomba de resfriamento. Como podemos ver neste gráfico, o melhor resultado é alcançado quando o nível populacional do estado fundamental é 0,82.
Se a população for usada como uma função da
cooperatividade * , será visto que, com uma cooperatividade mais alta (mais forte), uma acentuada diminuição no índice populacional do estado fundamental começará. Portanto, o processo de resfriamento será impossível em tal situação.
Cooperatividade * - muda no estado do sistema quando a interação entre seus elementos se intensifica com o curso do processo de mudança, de maneira a acelerar esse processo.
Os cientistas observam três fatores principais que limitam o resfriamento e levam ao que vemos no gráfico
2C - quanto maior a cooperatividade, piores são as coisas para a população.
O primeiro fator é a população térmica do qubit. A troca transfere a população de | g, 1⟩ para | f, 0⟩, mas o processo inverso também surge porque o nível f tem uma população térmica (embora muito pequena) - 0,006. Segue-se dessa relação: P1 / P0 f Pf / Pg (linha tracejada em
2C ).
O segundo fator é que, durante uma conexão forte (conexão), a troca hibridiza os estados | g, 1⟩ e | f, 0⟩. Se g exceder a taxa de decaimento de 2k, a população do estado | g, 1⟩ iniciará a transição para | f, 0⟩ e retornará para | g, 1⟩, sem ter tempo para decair para o estado | e, 0⟩.
Imagem No. 3: Ultrapassando o Limite do Impacto Não Ressonante por Bombeamento MultithreadEsse fator limitante pode ser contornado pelo caráter de massa, ou seja, vários processos de resfriamento | g,
n ⟩⟷ | f,
n -1⟩ podem ser iniciados simultaneamente. Quanto mais esses fluxos, menos energia de bombeamento é necessária para atingir a população necessária do estado fundamental. Consequentemente, o efeito da exposição não ressonante é reduzido.
Além disso, é possível combinar diferentes processos, | g,
n ⟩⟷ | f,
n -1⟩ e | g,
n ⟩⟷ | f,
n + 1⟩, o que permitirá a estabilização dos estados Fock do ressonador megahertz.
Imagem No. 4Finalmente, os cientistas verificaram a dinâmica de todo o sistema, levando em consideração os reservatórios e a termização do ressonador megahertz, com uma resolução de tempo (intervalo) de 80 ns (nanossegundos). Durante a medição da reflexão de microondas em uma determinada frequência, a bomba liga e desliga por 50 μs (microssegundos).
As imagens acima mostram os resultados deste teste:
4A é a dinâmica do resfriamento para o estado fundamental e
4B é a estabilização do estado Fock de um fóton.
Depois de estudar o estado estacionário causado pelo bombeamento, este parou, o que possibilitou observar o processo de termização do dispositivo.
Os cientistas resumiram seu trabalho em várias conclusões. Em primeiro lugar, embora o sistema mostre bons resultados de resfriamento para o estado fundamental e estabilização dos estados de Fock, existem certos problemas que requerem mais estudos. Primeiro de tudo, esse é um efeito extra-ressonante. Este problema pode ser resolvido determinando os valores exatos de A
H e Χ, que removerão processos não ressonantes da faixa de frequência do processo de resfriamento. O segundo método é atingir uma população alta do estado fundamental antes que o efeito de uma conexão forte (ligação) comece a afetar significativamente o processo. Os cientistas não consideram a opção de reduzir a dissipação de qubit devido ao fato de que, embora esse método elimine o efeito negativo de processos não ressonantes, um forte acoplamento ocorrerá com uma potência de bomba mais baixa.
Para um conhecimento mais detalhado dos detalhes do estudo, recomendo fortemente que você analise o
relatório dos cientistas e materiais adicionais .
Epílogo
O mundo quântico, suas leis, limitações e vantagens são difíceis de entender, mas é possível e, mais importante, necessário. Uma das áreas mais difíceis nessa área é a combinação de físicos quânticos e clássicos, ou seja, o uso de tecnologias quânticas para mudar, controlar e melhorar os processos descritos pela física clássica.
Neste estudo, os cientistas foram capazes de criar a arquitetura de um dispositivo quântico que pode manipular um ressonador de radiofrequência no nível quântico. Os próprios pesquisadores estão otimistas sobre o futuro de seus filhos. Segundo eles, isso pode dar um impulso à criação de um sistema semelhante, mas muito mais complexo e de larga escala, que pode ajudar no estudo de corpos nos sistemas Bose-Hubbard. Os cientistas também apontam que sua criação pode servir como um elo entre tecnologias quânticas e sistemas físicos na faixa de frequência de megahertz. Este dispositivo também pode ser usado para melhorar a RMN (ressonância magnética nuclear) e até mesmo na radioastronomia.
Obrigado pela atenção, continuem curiosos e tenham uma ótima semana de trabalho, pessoal.
Obrigado por ficar conosco. Você gosta dos nossos artigos? Deseja ver materiais mais interessantes? Ajude-nos fazendo um pedido ou recomendando a seus amigos, um
desconto de 30% para os usuários da Habr em um análogo exclusivo de servidores básicos que inventamos para você: Toda a verdade sobre o VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 núcleos) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps da US $ 20 ou como dividir o servidor? (as opções estão disponíveis com RAID1 e RAID10, até 24 núcleos e até 40GB DDR4).
VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 núcleos) 10GB DDR4 240GB SSD de 1Gbps até o verão de graça quando pagar por um período de seis meses, você pode fazer o pedido
aqui .
Dell R730xd 2 vezes mais barato? Somente nós temos
2 TVs Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 a partir de US $ 249 na Holanda e nos EUA! Leia sobre
Como criar um prédio de infraestrutura. classe usando servidores Dell R730xd E5-2650 v4 custando 9.000 euros por um centavo?