Физики из России открыли новую необычную черту у искусственных атомов

Физики из МФТИ, Института физики твердых тел РАН и Великобритании обнаружили, что искусственные аналоги атомов можно использовать для «перемешивания» волн света между собой, что ускорит разработку квантовых компьютеров и сетей передачи данных, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.

«В прошлом, другим физикам не удавалось открыть этот эффект потому, что его можно заметить только при наблюдениях за одиночными квантовыми объектами, а не группами атомов. Уже сейчас можно сказать, что данное свойство искусственных атомов можно использовать для создания новых видов квантовой микроэлектроники», — пишет Олег Астафьев из Московского физтеха в Долгопрудном и его коллеги.

Открытие квантовой физики и развитие квантовых технологий в последние десятилетия позволило ученым создать большое число различных объектов, состоящих из множества отдельных молекул, кристаллов и других структур, ведущих себя на квантовом уровне так же, как и «классический» атом.

К примеру, подобными свойствами обладает облако из атомов щелочных металлов, охлажденное до сверхнизких температур, а также различные наночастицы из полупроводников, которые сегодня используются в качестве основы для миниатюрных источников света и «плоских» лазеров. Похожими свойствами обладают структуры из сверхпроводников, представляющие собой кубиты — элементарные ячейки памяти и вычислительные модули квантовых компьютеров.

Эти кубиты, как недавно обнаружили ученые, могут поглощать отдельные частицы света, взаимодействовать с ними и повторно излучать их, подобно тому, как это делают настоящие атомы. Экспериментируя с подобной системой, созданной в Института физики твердых тел РАН в Черноголовке, Астафьев и его коллеги натолкнулись на необычное свойство искусственных атомов, которое они изначально не ожидали увидеть.

Изначально ученые просто изучали то, как кубиты взаимодействуют с фотонами, которые достигают их поверхности и поглощаются «искусственным атомом» в один и тот же момент времени. Почти сразу они зафиксировали крайне необычное последствие таких столкновений — искусственный атом впоследствии испускал не два, а три или четыре частицы света.

Две из них были оригинальными фотонами, а два других были порождены в ходе необычного квантового процесса, похожего по своей сути на интермодуляцию радиоволн, появление новых помех при усилении радиосигнала при «смешивании» разных сигналов, или его оптический аналог, четырехволновое смешение.

И та, и другая вещь раньше считались абсолютно бесполезным и даже вредным феноменом, от которого приходилось избавляться, однако недавно физики обнаружили, что их можно использовать для создания сверхмощных лазеров, голографических проекторов, компактных оптических резонаторов и других систем, необходимых для создания световых и квантовых компьютеров.

Их квантовый аналог, как отмечают физики, интересен тем, что новые частицы света несут в себе «отпечатки» того, как оригинальные фотоны были связаны между собой до столкновения с атомом. Это можно использовать для передачи информации о квантовых состояниях и создания новых компонентов квантовых компьютеров и других устройств, в работе которых применяются квантовые эффекты.

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.