量子技术的世界就像整个文明的历史一样丰富而混乱。 在这一领域中的一些发现可能使我们感到惊讶，而另一些则使人陷入智力昏迷状态。 所有这一切都是因为量子世界是根据自己的定律生活的，而且通常它并不关心经典物理学。 我们习惯将“量子”一词与可以更快，更多地完成的计算联系起来。 但是，这远非量子技术的唯一应用。 今天，我们将研究量子力学允许科学家创建一种可用于在量子水平上操纵射频谐振器的体系结构的研究。 听起来很简单，但实际上，实现这一目标充满了许多“困惑”。 科学家使用了量子科学的哪些方面，如何实现它们，以及从研究组的报告中学到了什么。 走吧
学习基础
首先，科学家们自问一个问题-量子力学中最薄弱的领域是什么？ 答案是单光子。 而且，似乎单个光子的检测和操纵应该不是一项艰巨的任务。 然而，在兆赫兹频率上，这是非常成问题的，因为即使在低温下也存在明显的热波动。
在这项研究中，科学家使用千兆赫兹超导量子位直接观察了兆赫兹射频电磁场的量化。 量子位的使用允许人们获得对热辐射的控制，冷却至基量子力学状态以及光子
的Fock *状态的稳定化。
Fock *状态是量子力学中精确确定粒子数的状态。
在单个光子的操纵过程中，热“干扰”问题在低频时变得更加明显。 由于热介质而导致的光子的意外发生和an灭会导致
退相干* 。 并且这导致形成随机状态的组合，难以从中分离出量子状态。
退相干*是由于量子力学系统与环境的相互作用而违反振动/波动过程（相干性）协调的过程。
逻辑上可以通过使用较冷的系统提取环境所产生的熵来解决类似问题。 在实践中，这种解决方案称为蓄热器。
科学家将储层技术应用于他们的量子电动力学方案中，从而使他们能够有效地冷却和操纵量子级的电磁场。
在他们的研究中，科学家能够获得对热激发兆赫兹光子谐振器的控制，这使得观察射频电磁场的量化成为可能。 并通过储层实现了对量子态的操纵。 科学家还设法稳定了Fock的单光子和双光子状态。
一切的基础是通过谐振器光子和超导量子位的色散耦合来读取和控制谐振器。 但是，当存在千兆赫兹比特和兆赫兹光子时，传统量子电动力学方案中它们之间的连接（连接）将非常弱。 但是科学家们还提出了一种新的连接方法，从而克服了这一障碍。
研究成果
图片编号1通过科学家创建的方案，量子位和光子（
1A ）之间形成了非常牢固的联系。 该图除其他外包括以下元素：
L
J-约瑟夫森接触，41 nH（纳米）；
C
L-电容器，11 pF（皮法拉）;
L-螺旋电感器，28 nH。
在低频下，螺旋电感器的
寄生电容*可以忽略不计，并且对于备用电路（
1B ），第一次转换的频率将等于ωL =2πx 173 MHz。 如果存在千兆赫频率，则CL会短路，并且螺旋电感器的电容C
H = 40 fF（毫微微法拉）。 在这种情况下，并联连接（
1C ）L
J ，L和CH具有第一过渡频率2πx 5.91 GHz。 电路的这种配置允许两个模型共享约瑟夫森的接触。
杂散电容*是在电子电路（在此情况下为电动）电路的元件之间发生的不良电容耦合。
该触点的电感随流经它的电流的振荡而变化。 鉴于此，高频（HF）模式的谐振频率根据低频（LF）模式中的激励次数而偏移，反之亦然。
这种跨克尔相互作用是由每1个光子的移位数来定量确定的：x =2√AH A
L ，其中
非谐波
* HF和LF模式等于A
L = h x 495 kHz和A
H = h x 192 MHz。
非谐波* -系统与谐波振荡器的偏差。
Cross-Kerr交互作用表现为所测微波反射S
11中光子数量的分裂。
从图
1D中可以看出，由于强的克尔相互作用，腔中的Fock光子态（|0⟩，|1⟩，|2⟩...）的量子振荡导致量子位跃迁的频率发生偏移。
系统的本征态标记为| j，n⟩，其中j = g，e，f，...是高频模式的激发，而n = 0，1，2 ...是低频模式。
峰值
n的幅度
与 ext /
k n的 P
n成正比，其中P
n是低频模式下光子数的位置，而
与 ext /
k n的外部连接
是 ext /2π= 1.6 MHz与在峰值
n处的宽度
n之差 。 根据峰高P
n的Bose-Einstein分布，科学家确定了平均光子数
n th = 1.6，这对应于17 mK（密耳列温）的模式温度。
玻色-爱因斯坦统计量*是在热力学平衡状态下能量水平为零或整数自旋的相同粒子的分布。
单个光子峰的分辨率取决于n≪ x / condition的条件。 因此，峰的宽度将随着
n的增加而增加：
k n =
k （1 + 4
n th （H））+2γ（
n +（1 + 2
n ）
n th ）。 在该公式中，
k /2π= 3.7 MHz是高频模式耗散，而γ/2π= 23 kHz是低频模式耗散。
在这种情况下，n≪ A
H / the的条件会从高频模式产生一个transmon（超导电荷量子比特）。 这允许人们有选择地激活跃迁| g，n⟩⟷| e，n⟩和| e，n⟩⟷| f，n⟩。
但是在低频模式下，一切都不同。 由于对热膨胀的限制，它的线宽只有几兆赫兹，比A
L大得多
。 这使其成为一种谐波振荡器。
通过以ωp频率泵浦电路，通过接触的非线性来进行状态之间的粒子过渡。 在此过程中，一次消灭空腔中的1个光子（低频模式），并且跨载流子侧已经形成2个光子，一次只能相互作用4个光子。
图片编号2这种泵浦方法与模式弛豫频率的巨大差异相结合，可以将兆赫兹腔冷却到其基态。 该流程图如图
2A所示。
仅当谐振器的热化速率低于激发从| g，1⟩到| g，0⟩的跃迁速率时，才会发生冷却。 还有第二种冷却方法-通过过渡| g，1⟩⟷| e，0⟩。 但是，此过程是两光子，因此需要更多的泵浦功率。
图2B显示了在不同冷却泵功率水平下S
11 （微波响应）的测量结果。 从该图可以看出，当基态的总体水平为0.82时，可获得最佳结果。
如果使用人口作为
合作性*的函数，那么可以看出，随着合作性（更高）的增强，基态人口指数将开始急剧下降。 因此，在这种情况下，冷却过程将是不可能的。
协作性* -当系统元素之间的交互随着更改过程的进行而加剧时，系统状态会发生变化，从而加速了此过程。
科学家注意到限制冷却并导致我们在图
2C中看到的三个主要因素-合作性越高，人口状况越差。
第一个因素是量子位的热填充。 交换将总体从| g，1⟩转移到| f，0⟩，但是也会发生相反的过程，因为级别f具有热填充（尽管很小）-0.006。 从这种关系得出：P1 / P0﹥ Pf / Pg（
2C处的虚线）。
第二个因素是在强连接（连接）期间，交换将使状态| g，1⟩和| f，0⟩混合。 如果g超过2k的衰减率，则状态| g，1⟩将开始转换为| f，0⟩，然后返回| g，1⟩，而没有时间衰减到状态| e，0⟩。
图3：通过多线程泵送来克服非共振冲击的极限可以通过质量特性来规避该限制因素，也就是说，可以同时启动多个冷却过程| g，n⟩⟷| f，
n- 1⟩。 这样的流量越多，实现基本状态所需的泵送功率就越少。 因此，减少了非共振暴露的影响。
而且，可以组合不同的过程，| g，
n | | f，
n- 1⟩和| g，
n | | f，
n +1⟩，这将使兆赫兹谐振器的Fock状态稳定。
图片编号4最后，科学家检查了整个系统的动力学，并考虑了时间分辨率（间隔）为80 ns（纳秒）的兆赫兹谐振器的储层和热化。 在特定频率下的微波反射测量期间，泵的开启和关闭时间为50μs（微秒）。
上图显示了该测试的结果：
4A是冷却至基态的动力学，而
4B是单光子Fock状态的稳定。
在研究了由泵引起的稳态后，泵停止了运转，从而可以观察设备的热过程。
科学家们总结了他们的工作，得出了一些结论。 首先，尽管系统显示出冷却到基态和福克状态稳定的良好结果，但仍有某些问题需要进一步研究。 首先，这是一种超共振效应。 可以通过确定A
H和X的确切值来解决此问题，这将从冷却过程的频率范围中消除非谐振过程。 第二种方法是在强连接（键）的作用开始显着影响过程之前，获得大量的基态。 由于以下事实，科学家不考虑减少量子位损耗的选择，尽管该方法消除了非谐振过程的负面影响，但在较低的泵浦功率下会发生强耦合。
为了更详细地了解研究的细节，我强烈建议您研究一下
科学家的
报告和其他材料 。
结语
量子世界，其规律，局限性和优势很难理解，但它是可能的，而且最重要的是必要的。 该领域最困难的领域之一是量子物理学家和经典物理学家的结合，即使用量子技术来改变，控制和改进经典物理学所描述的过程。
在这项研究中，科学家能够创建一种量子设备的体系结构，该体系结构可以在量子水平上操纵射频谐振器。 研究人员对后代的未来感到乐观。 他们认为，这可以推动创建类似但更为复杂和大规模的系统，从而有助于研究Bose-Hubbard系统中的物体。 科学家们还指出，他们的创造可以充当兆赫兹频率范围内量子技术与物理系统之间的纽带。 该设备还可用于改善NMR（核磁共振），甚至用于射电天文学。
谢谢大家的关注，保持好奇心，祝您工作愉快。
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