Управление энергией трансмона

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: небрежное манипулирование этими системами вносит существенные ошибки в конечный результат. Новая работа физиков в Аалто может привести к точным квантовым компьютерам.

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. 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 Сорином Параоану, старшим преподавателем университета на кафедре прикладной физики, сделала трансмон-прыжок на более чем на один энергетический уровень 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.

Сергей Данилин, один из соавторов работы, описывает квантовый контроль — процесс использования микросхем, 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 в руках стакан с водой — 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 для того чтобы быстро подниматься по лестнице, не проливая воды, нужно 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 переключение квантовой энергии, даже с помощью сокращений, ограничение, называемое «пределом квантовой скорости». К их радости, ученые Аалто обнаружили, что новый метод привел к изменениям уровня энергии, которые произошли на скоростях, которые были близки к этому теоретически рассчитанному пределу.

Более широкое влияние управления высокоскоростными передачами энергии в квантовых системах также интересуют физиков. Потенциально большое значение имеют квантовые вычисления и приложения квантового моделирования, которые требуют быстрых и очень надежных операций, таких как подготовка состояния и создание квантовых ворот.

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, существуют ли какие-либо фундаментальные ограничения для того, как быстро мы можем зарядить аккумулятор электромобиля? » В быстро развивающейся области квантовых технологий вполне возможно, что этот новый метод управления найдет множество применений.

«Superadiabatic population transfer in a three-level superconducting circuit» Science Advances (2019). DOI: 10.1126/sciadv.aau5999 , http://advances.sciencemag.org/content/5/2/eaau5999