Квантовое радио

Исследователи из Делфтского технического университета создали квантовую схему для прослушивания самого слабого радиосигнала, допускаемого квантовой механикой. Эта новая квантовая схема открывает двери для возможных будущих применений в таких областях, как радиоастрономия и медицина (МРТ).

Исследование также позволяет экспериментам пролить свет на взаимодействие между квантовой механикой и гравитацией. Результаты были опубликованы в журнале Science.

Обычное решение для слабого радиосигнала состоит в том, чтобы найти лучший сигнал, например, выбрав другую радиостанцию ​​или переместившись на другую сторону комнаты. Однако, что, если бы мы могли просто слушать более внимательно?

Слабые радиосигналы являются проблемой не только для людей, пытающихся найти свою любимую радиостанцию, но и для сканеров магнитно-резонансной томографии (МРТ) в больницах, а также для телескопов, которые ученые используют для наблюдения в космосе.

И вот теперь исследователи из группы профессора Гэри Стила в Делфте продемонстрировали обнаружение квантов энергии, самых слабых сигналов, допускаемых теорией квантовой механики.

Одно из странных предсказаний квантовой механики заключается в том, что энергия поступает крошечными кусочками, называемыми квантами. Что это означает? «Допустим, я качаю ребенка на качелях», — говорит ведущий исследователь Марио Гели.

«В классической теории физики, если я хочу, чтобы ребенок качался немного быстрее, я могу дать качелям небольшой толчок, придавая им больше скорости и больше энергии. Квантовая механика говорит что-то другое: я могу увеличить энергию качели только на один «квантовый шаг» за раз. Увеличить энергию вполовину этой величины невозможно.»

Для ребенка на качелях эти квантовые шаги настолько малы, что их невозможно заметить. До недавнего времени то же самое происходило и с радиоволнами. Тем не менее, исследовательская группа в Делфте разработала схему, которая может фактически обнаружить эти кусочки энергии в радиочастотных сигналах, открывая потенциал для зондирования радиоволн на квантовом уровне.

От квантового радио до квантовой гравитации?

Помимо приложений в квантовом зондировании, группа в Делфте заинтересована в том, чтобы вывести квантовую механику на следующий уровень: масса. Хотя теория квантового электромагнетизма была разработана почти 100 лет назад, физики до сих пор озадачены тем, как вписать гравитацию в квантовую механику.

«Используя наше квантовое радио, мы хотим попытаться слушать и контролировать квантовые колебания тяжелых объектов, а также экспериментально исследовать, что происходит, когда вы смешиваете квантовую механику и гравитацию», — сказал Гели.

«Такие эксперименты очень трудны, но в случае успеха мы сумеем проверить, сможем ли мы сделать квантовую суперпозицию самого пространства-времени, новую концепцию, которая проверит наше понимание как квантовой механики, так и общей теории относительности».

Резюме.

Обнаружение слабых радиочастотных электромагнитных полей играет решающую роль в широком диапазоне областей, от радиоастрономии до ядерно-магнитно-резонансной томографии. В квантовой оптике пределом слабого поля является один фотон.

Обнаружение и управление одиночными фотонами на мегагерцовых частотах представляет собой сложную задачу, поскольку даже при криогенных температурах тепловые флуктуации являются значительными. Используя гигагерцовый сверхпроводящий кубит, мы наблюдали квантование мегагерцевого радиочастотного резонатора, охлаждали его до основного состояния и стабилизировали состояния Фока.

Освободив резонатор от нашего контроля, мы наблюдали его ретермализацию с наносекундным разрешением. Расширяя схему квантовой электродинамики до мегагерцевого режима, мы позволили исследовать термодинамику в квантовом масштабе и разрешили сопряжение квантовых цепей с мегагерцевыми системами, такими как спиновые системы или макроскопические механические осцилляторы.

Mario F. Gely et al. Observation and stabilization of photonic Fock states in a hot radio-frequency resonator, Science (2019). DOI: 10.1126/science.aaw3101