Квантовая физика устанавливает законы, которые доминируют во вселенной в небольшом масштабе. Способность использовать квантовые явления может привести к таким машинам, как квантовые компьютеры, которые, по прогнозам, будут выполнять определенные вычисления гораздо быстрее, чем обычные компьютеры. Одна из основных проблем создания квантовых процессоров заключается в том, что отслеживание и управление квантовыми системами в режиме реального времени является сложной задачей, поскольку квантовые системы чрезвычайно хрупки: манипулирование этими системами небрежно вносит существенные ошибки в конечный результат. Новая работа команды в Аалто может привести к точным квантовым компьютерам.

Сверхпроводящие схемы, содержащие трансмонное устройство, могут быть использованы для управления квантовым состоянием. Фото: Донг Лан и Сорин Параоану

Исследователи сообщают об управлении квантовыми явлениями в специально разработанной электрической цепи, называемой трансмон. Охлаждение трансмоновой микросхемы с точностью до нескольких тысячных градуса выше абсолютного нуля вызывает квантовое состояние, и микросхема начинает вести себя как искусственный атом. Одна из квантовых особенностей, которая интересует исследователей, заключается в том, что энергия трансмона может принимать только определенные значения, называемые уровнями энергии. Уровни энергии подобны ступеням на лестнице: человек, поднимающийся по лестнице, должен занимать ступеньку и не может парить где-то между двумя ступенями. Точно так же энергия трансмона может занимать только заданные значения уровней энергии. Сияющие микроволны в цепи заставляют трансмона поглощать энергию и подниматься по ступенькам лестницы.

В работе, опубликованной 8 февраля в журнале Science Advances , группа из Университета Аалто во главе с доцентом Сорином Параоану, старшим преподавателем университета на кафедре прикладной физики, сделала трансмон-прыжок более чем одним энергетическим уровнем за один раз. Ранее это было возможно только благодаря очень плавной и медленной настройке микроволновых сигналов, которые управляют устройством. В новой работе дополнительный микроволновый управляющий сигнал, сформированный очень специфическим способом, позволяет быстро и точно изменять уровень энергии. Доктор Антти Вепсяляйнен, ведущий автор, говорит: «У нас в Финляндии есть поговорка:« hiljaa hyvää tulee »(медленно делает это). Но нам удалось показать, что, постоянно корректируя состояние системы, мы можем управлять этим процессом более быстро и с высокой точностью».

Д-р Сергей Данилин, один из соавторов, описывает квантовый контроль – процесс использования чипов, таких как трансмоны, для создания квантовых компьютеров – путем расширения аналогии с «восхождением по лестнице». «Чтобы получить полезную квантовую систему, вам нужно представить, как вы поднимаетесь по лестнице, держа стакан воды – это работает, если вы делаете это плавно, но если вы делаете это слишком быстро, вода разливается. Конечно, для этого требуется особый навык».

Исследователи обнаружили, что в квантовом мире хитрость в том, чтобы быстро подниматься по лестнице, не проливая воды, заключается в том, чтобы осторожно прыгать по две ступеньки за раз. Это сокращение энергетической лестницы было достигнуто за счет того, что трансмон поглощал два микроволновых фотона одновременно. Законы природы накладывают ограничение на то, как быстро может происходить любое квантовое переключение энергии, даже с помощью сокращений, ограничение, называемое «пределом квантовой скорости». К их удовольствию, ученые Аалто обнаружили, что их новый метод привел к изменениям в уровень энергии, который имел место на скоростях, которые были близки к этому теоретически рассчитанному пределу.

Более широкое влияние контроля высокоскоростной передачи энергии в квантовых системах также волнует команду. Потенциально большое значение имеют приложения квантовых вычислений и квантового моделирования, которые требуют быстрых и очень надежных операций, таких как подготовка состояния и создание квантовых вентилей. Доктор Параоану видит и другие возможности: «Мы хотели бы глубже понять процессы, связанные с передачей энергии, которые повсеместны в естественном мире и в технологиях, которые нас окружают. Например, есть ли фундаментальные ограничения на скорость зарядки аккумулятора электромобиля? »В быстро развивающейся области квантовых технологий вполне возможно, что этот новый метод управления найдет множество применений.

По материалам phys.org