Вторник 12 мая 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
Суточный ритм может показать, насколько быстро стареет организм Суточный ритм может показать, насколько быстро стареет организм Старение часто воспринимается как цифра на бумаге. Но наука постоянно показывает, что организм рассказывает совсем другую историю. Результаты нового исследования опубликованы в журнале JAMA Network Open. Два человека могут родиться…
Ледяные кольца Сатурна могли образоваться из потерянной луны Куколки Ледяные кольца Сатурна могли образоваться из потерянной луны Куколки Ученые предполагают, что знаменитая планета с кольцами приобрела свою самую впечатляющую особенность примерно 100 миллионов лет назад. Точный механизм образования колец Сатурна обсуждается уже довольно давно, однако группа ученых из…
Впервые за 25 лет гигантские кальмары обнаружены в неожиданных водах Впервые за 25 лет гигантские кальмары обнаружены в неожиданных водах Впервые за десятилетия гигантские кальмары были обнаружены в водах у побережья Западной Австралии, скрываясь в глубоководных каньонах восточной части Индийского океана. Однако эти загадочные существа остаются такими же неуловимыми, как…
Интернет и СМИ
Главное за сутки
МО: за ночь над регионами России сбили 27 украинских БПЛА МО: за ночь над регионами России сбили 27 украинских БПЛА Силы ПВО сбили 27 украинских беспилотников над регионами России. Об этом сообщили в Минобороны РФ. В ведомстве отметили, что дежурные средства ПВО перехватывали и уничтожали БПЛА в течение прошедшей ночи…
В Белгородской области за сутки из-за атак ВСУ погибли два человека  В Белгородской области за сутки из-за атак ВСУ погибли два человека  Вооруженные силы Украины вновь атакуют территорию Белгородской области, за минувшие сутки два мирных жителя, которые пострадали в результате атак ранее, умерли в больницах, еще восемь человек получили ранения. Об этом…
Мирошник: за неделю от ударов ВСУ погибли 25 жителей России, 209 были ранены Мирошник: за неделю от ударов ВСУ погибли 25 жителей России, 209 были ранены 25 мирных жителей РФ, в том числе ребенок, погибли за неделю в результате ударов Вооруженных сил Украины, более 200 человек, в том числе 14 детей, получили ранения. Об этом ТАСС…
Тема дня
Постсоветское пространство – не место для проведения гусарской политики Постсоветское пространство – не место для проведения гусарской политики

Да, Россия может прекратить субсидирование тех среднеазиатских стран, которые соблюдают западные сан...

Фото
В сирийских «мертвых городах» сохранились дома, созданные по передовым образцам В сирийских «мертвых городах» сохранились дома, созданные по передовым образцам

Новое исследование, опубликованное в журнале Bulletin of the American Society of Overseas Research (...

Опрос

С каким чувством вы смотрите в будущее?

 

Анекдот дня

Кто виноват?

Что делать?

А зачем?

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.

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)".