Natuurkundigen van het Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT) en Royal Holloway, Universiteit van Londen, hebben een effect aangetoond dat bekend staat als kwantumgolfmenging op een kunstmatig atoom. hun resultaten, gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , zou kunnen helpen bij de ontwikkeling van een geheel nieuwe soort kwantumelektronica.

Onderzoekers van het MIPT-laboratorium voor kunstmatige kwantumsystemen onder leiding van professor Oleg Astafiev werkten samen met hun Britse collega's om een ​​supergeleidend kwantumsysteem te onderzoeken. wat fysiek equivalent is aan een enkel atoom. Gekoeld tot ultra-lage temperaturen, dit apparaat straalde en absorbeerde een enkele quanta microgolfstraling - op dezelfde manier waarop een atoom interageert met fotonen van licht.

kunstmatige atomen, die centraal staan ​​in deze studie, zijn een hoofdbestanddeel van kwantumoptica-experimenten. Natuurkundigen gebruiken deze systemen om de processen te onderzoeken die anders moeilijk te bestuderen zijn, zoals de emissie en absorptie van meerdere fotonen. Terwijl een echt atoom in een spiegelholte licht uitzendt in een willekeurige richting, een supergeleidend systeem straalt gecontroleerd uit. Hierdoor konden de auteurs de verstrooiing van verschillende lichtquanta op een kunstmatig atoom detecteren, of golfmenging.

In de uitvoer van het hierboven beschreven systeem, de onderzoekers observeerden zowel bronstraling als elektromagnetische golven als gevolg van de interactie met het kunstmatige atoom. De frequenties van deze golven werden bepaald door de aard van de betrokken excitatie. Dit wees op het effect van kwantumgolfmenging, die nog niet eerder in dit soort systemen waren waargenomen.

De aantrekkingskracht van supergeleidende systemen gaat verder dan hun vermogen om verschillende kwantum optische effecten te onthullen. Volgens de auteurs van het artikel, het kunstmatige atoom fungeert ook als een qubit - het basiselement van een kwantumcomputer. Qubits maken berekeningen mogelijk met behulp van basisinformatie-eenheden die verschillen van conventionele bits. Terwijl een klassieke geheugencel een één of een nul opslaat, zijn kwantumanaloog - de qubit - kan zich tegelijkertijd in beide toestanden bevinden vanwege een principe dat bekend staat als superpositie.

"Ons artikel rapporteert de bevindingen van een experiment dat ongebruikelijke golfmengeffecten aantoont op een enkel kunstmatig atoom in het gigahertz-frequentiebereik. We onderzochten een qubit die sterk gekoppeld was aan het elektromagnetische veld in de transmissielijn en observeerden de vermenging van de fotonische kwantumtoestand bereid in de qubit met die van het coherente licht in de transmissielijn, " zegt MIPT-promovendus Aleksei Dmitriev, een van de auteurs van het onderzoek. De natuurkundigen wijzen erop dat het waargenomen effect een manier biedt om de kwantumtoestandsstatistieken van bronfotonen te visualiseren. Dit zou toepassing kunnen vinden in kwantumcomputers, dat de afgelopen jaren een hot onderzoeksveld is geworden.

Quantumcomputers zijn gebaseerd op het idee dat een kwantumobject in meerdere toestanden tegelijk kan zijn. Met deze eigenschap kunnen kwantumalgoritmen worden geïmplementeerd, onderzoekers in staat stellen om met klassieke methoden problemen aan te pakken die vrijwel onmogelijk binnen een redelijke termijn kunnen worden opgelost. Aanvullend, kwantumeffecten worden al gebruikt in beveiligde datatransmissiekanalen die het onmogelijk maken om informatie te onderscheppen zonder dat de zender en ontvanger het weten.