Суббота 11 июля 2026 года

 

Вы здесь:  Главная» Все новости» Наука» Ученые создали для квантового компьютера однофотонный излучатель


Ученые создали для квантового компьютера однофотонный излучатель

Четверг, 27 Октября 2016 14:07

Международная группа учёных, включающая руководителя лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ Олега Астафьева, использовала сверхпроводящий кубит в качестве однофотонного источника СВЧ-излучения. Учёные подчёркивают, что такой источник может перестраивать частоту излучения и обладает высокой эффективностью. Технология имеет большой потенциал для применения в квантовых компьютерах, а также в изучении взаимодействия между светом и веществом. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.

 

Однофотонные источники являются важным компонентом квантовых вычислительных систем, сообщается в пресс-релизе, поступившем в редакцию Planet Today. Такие излучатели включают в себя микрорезонатор: его геометрия  определяет длину волны излучаемого фотона. Оперативная настройка длины волны и соответствующей ей частоты в таких системах невозможна. Группа учёных из  Лондонского университета (Великобритания), Института физико-химических исследований RIKEN (Япония), Национальной физической лаборатории NPL Великобритании и МФТИ (Россия) разработала однофотонный источник без жёсткого и неперенастраиваемого резонатора.

 

В роли источника единичного фотона можно использовать единичный атом (см. Рисунок). При переходе атома из возбуждённого состояния в нижнее избыток энергии испускается в виде кванта света — фотона. Проблема подобного излучателя в том, что фотон испускается в произвольном направлении, и «поймать» его для дальнейшего использования — непростая задача. Поэтому эффективность таких систем (существуй они в реальности) была бы мала.

 

 

Рисунок. Оптический аналог источника. Непрозрачный экран с отверстием гораздо меньше, чем длина волны. Двухуровневый атом находится справа от экрана близко к отверстию. Свет с левой стороны возбуждает атом, но не проникает через отверстие. Возбуждённый атом излучает единичный фотон. Изображение предоставлено пресс-службой МФТИ.

 

Чтобы создать направленное излучение, учёные использовали искусственный атом — кубит, построенный из нескольких джозефсоновских контактов. Джозефсоновский контакт (туннельный барьер для куперовских пар — переносчиков заряда в сверхпроводимости) состоит из двух сверхпроводников, разделённых тонким слоем диэлектрика. Куперовские пары могут туннелировать через тонкий слой диэлектрика, переводя кубит из возбуждённого в основное состояние и обратно. Для поддержания сверхпроводимости, а также правильного функционирования прибора рабочая температура прибора должна быть близка к абсолютному нулю.

  

Источник представляет из себя кубит, расположенный на стыке двух изолированных друг от друга волноводов, по которым могут распространяться электромагнитные волны (квантом электромагнитной волны является фотон). Авторами работы эти волноводы обозначены как линия управляющего сигнала и линия излучения (см. Схему источника). Между кубитом и обеими линиями сочетание проводников и диэлектрика создаёт два конденсатора, за счёт чего кубит оказывается подключённым к линиям через электрическую ёмкость. Или, как принято говорить в электротехнике, имеет ёмкостные связи.

 

Кубит ёмкостной связью слабо связан с линией управляющего сигнала и сильно связан с линией излучения. Управляющий сигнал (приходит слева, если смотреть на схему источника) воздействует на кубит, переводя его в возбуждённое состояние, после чего кубит испускает фотон, который по линии излучения может быть доставлен к последующим элементам схемы. 

  

 

Схема разработанного источника единичных фотонов. Кубит располагается в середине. Тонкие металлические линии осуществляют емкостную связь (ёмкости  Cc и Ce) между кубитом, линией управляющего сигнала и линией излучения. Изображение предоставлено пресс-службой МФТИ

 

Особенностью кубита на джозефсоновских контактах является  возможность контроля его магнитным полем. От него зависит разница энергий возбуждённого и основного состояния кубита, а значит и частота (длина волны) излучаемого фотона. Изменение внешнего поля (образец помещается в катушку) позволяет изменять частоту излучаемого фотона в широком диапазоне 7,75–10,5 ГГц. Максимально возможная эффективность, вероятность испустить фотон в линию излучения определяется ёмкостями, которые осуществляют связь между линиями передач и кубитом. За счёт правильного подбора соотношения ёмкостей эффективность подобного источника может достигнуть 99,99%, что ставит его вне конкуренции по отношению к другим однофотонным источникам. В реальности же на эффективность влияют и другие факторы, например, поглощение фотона в диэлектрике (безызлучательная релаксация). В измеряемом образце эффективность составила более 65% на всём диапазоне частот, что уже является рекордной величиной.

 

По словам одного из авторов работы Олега Астафьева: “Данный однофотонный источник обладает высокой эффективностью и возможностью излучать фотоны в широком диапазоне частот. Это позволит использовать его в квантовых компьютерах и других квантовых технологиях, в которых единичные фотоны будут использованы в качестве носителей информации, а также для её хранения, обработки и передачи. Единичный фотон невозможно перехватить, не изменив его состояние, поэтому применение данного источника в квантовых системах передачи данных обеспечит абсолютно безопасную передачу данных. Кроме того, он может использоваться в квантовых симуляторах, моделирующих сложные квантово-механические системы, и для изучения фундаментальных взаимодействий между фотонами и веществом ”.

 
 

 

 
Читайте также
Морские губки, подобно растениям, производят пищу из солнечного света Морские губки, подобно растениям, производят пищу из солнечного света Долгое время губки на коралловых рифах имели довольно простую репутацию. Они сидели на одном месте и питались тем, что приносила мимо них вода. Теперь эта картина выглядит неполной. Новое исследование…
Ученые впервые наблюдали за рождением фрагмента океанической коры Земли Ученые впервые наблюдали за рождением фрагмента океанической коры Земли Большая часть земной коры нашей планеты сформирована в талласе, который человеческий глаз никогда не увидит. На протяжении 65 000 километров океанского дна система срединно-океанических хребтов отмечает границы, где встречаются тектонические…
В Азии обнаружен совершенно новый вид гигантских динозавров В Азии обнаружен совершенно новый вид гигантских динозавров В обиходе палеонтологов часто встречается образ учёного в шортах и широкополой шляпе, эффектно извлекающего из пустынных песков великолепный, неповреждённый скелет. В действительности большинство доисторических останков представляют собой отдельные находки. Зуб…
Интернет и СМИ
Главное за сутки
МО: за ночь над регионами России сбили 178 украинских беспилотников МО: за ночь над регионами России сбили 178 украинских беспилотников Средства ПВО РФ в ночь на 11 июля уничтожили 178 украинских беспилотников. Об этом сообщили в Минобороны РФ. "В течение ночи в период с 20:00 мск 10 июля до 8:00…
В Таганрогском заливе при атаке украинского БПЛА погиб матрос технического судна В Таганрогском заливе при атаке украинского БПЛА погиб матрос технического судна В Таганрогском заливе из-за атаки БПЛА погиб матрос технического судна. Атаке подверглись четыре судна различного назначения, об этом сообщил в "Максе" губернатор Ростовской области Юрий Слюсарь. "Сегодня вновь в Таганрогском…
ВС России в ночь на 11 июля ударили по предприятиям ВПК в Киеве ВС России в ночь на 11 июля ударили по предприятиям ВПК в Киеве Российские войска в ночь на 11 июля нанесли групповые удары высокоточным оружием большой дальности по предприятиям военной промышленности в Киеве. Об этом сообщили в Минобороны РФ. "Сегодня ночью Вооруженными силами…
Тема дня
Волынская резня заставила Польшу проводить свою денацификацию Украины Волынская резня заставила Польшу проводить свою денацификацию Украины

В субботу отмечается годовщина Волынской резни, жертвами которой стали 100 тыс. человек. Но Украина ...

Фото
Nature: бактерии запускают «капсулы спасения» в качестве механизма выживания Nature: бактерии запускают «капсулы спасения» в качестве механизма выживания

Бактерии, живущие внутри слизистых биопленок, выработали удивительный способ выживания. Когда колони...

Опрос

Как вы оцениваете риск возникновения военного конфликта в Молдавии и Приднестровье?

 

Анекдот дня

Всегда смущало наличие в ПДД гужевой повозки. Сейчас вообще вопросов не возникает.

Еще »

Этот сайт использует файлы «cookie» с целью повышения удобства его использования. Во время посещения сайта вы соглашаетесь с тем, что мы обрабатываем ваши персональные данные с использованием сервиса «Яндекс. Метрика». Продолжая использовать сайт, вы соглашаетесь с Политикой конфиденциальности.

Популярные новости
Интересные материалы
МЫ ВКОНТАКТЕ

Зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций

(Роскомнадзор). Реестровая запись от 07.06.2022 серия ЭЛ № ФС 77 – 83392. При использовании, полном или частичном

цитировании материалов planet-today.ru активная гиперссылка обязательна. Мнения и взгляды авторов не всегда совпадают с

точкой зрения редакции. На информационном ресурсе применяются рекомендательные технологии (информационные технологии

предоставления информации на основе сбора, систематизации и анализа сведений, относящихся к предпочтениям пользователей

сети "Интернет", находящихся на территории Российской Федерации)".