Crédit :MIPT
Physiciens de l'Institut de physique et de technologie de Moscou (MIPT) et de Royal Holloway, Université de Londres, ont démontré un effet connu sous le nom de mélange d'ondes quantiques sur un atome artificiel. leurs résultats, publié dans la revue Communication Nature , pourrait aider à développer l'électronique quantique d'un tout nouveau genre.
Des chercheurs du Laboratoire des systèmes quantiques artificiels du MIPT dirigés par le professeur Oleg Astafiev se sont associés à leurs collègues britanniques pour examiner un système quantique supraconducteur, qui est physiquement équivalent à un seul atome. Refroidi à des températures ultra-basses, cet appareil a émis et absorbé un seul quanta de rayonnement micro-ondes, de la même manière qu'un atome interagit avec des photons de lumière.
Atomes artificiels, qui sont au cœur de cette étude, sont un élément essentiel des expériences d'optique quantique. Les physiciens utilisent ces systèmes pour étudier les processus qui sont autrement difficiles à étudier, comme l'émission et l'absorption de plusieurs photons. Alors qu'un atome réel dans une cavité miroir émet de la lumière dans une direction arbitraire, un système supraconducteur rayonne de manière contrôlée. Cela a permis aux auteurs de détecter la diffusion de plusieurs quanta de lumière sur un atome artificiel, ou mélange d'ondes.
Dans la sortie du système décrit ci-dessus, les chercheurs ont observé à la fois le rayonnement de la source et les ondes électromagnétiques résultant de son interaction avec l'atome artificiel. Les fréquences de ces ondes étaient déterminées par la nature de l'excitation impliquée. Cela a souligné l'effet du mélange d'ondes quantiques, ce qui n'avait pas été observé dans des systèmes de ce genre auparavant.
Le graphique ci-dessus montre les résultats de l'expérience :les fréquences des ondes sont tracées sur l'axe horizontal en fonction de l'intensité du rayonnement sur l'axe vertical. Les deux pics les plus élevés correspondent aux fréquences de rayonnement de la source. Les pics marqués en rose, Orange, et le violet sont attribués au phénomène de mélange d'ondes quantiques sur un seul atome. Le graphique du haut illustre l'expérience utilisant un atome artificiel avec deux niveaux d'énergie, tandis que le graphique du bas correspond au cas avec trois niveaux d'énergie. Crédit :MIPT
L'attrait des systèmes supraconducteurs va au-delà de leur capacité à révéler divers effets optiques quantiques. Selon les auteurs de l'article, l'atome artificiel se double d'un qubit, l'élément de base d'un ordinateur quantique. Les qubits permettent des calculs utilisant des unités d'information de base différentes des bits conventionnels. Alors qu'une cellule mémoire classique stocke soit un un, soit un zéro, son analogue quantique - le qubit - peut être dans les deux états en même temps en raison d'un principe connu sous le nom de superposition.
"Notre article rapporte les résultats d'une expérience démontrant des effets de mélange d'ondes inhabituels sur un seul atome artificiel dans la gamme de fréquences gigahertz. Nous avons examiné un qubit fortement couplé au champ électromagnétique dans la ligne de transmission et observé le mélange de l'état quantique photonique préparé dans le qubit avec celui de la lumière cohérente dans la ligne de transmission, " dit le doctorant du MIPT Aleksei Dmitriev, l'un des auteurs de l'étude. Les physiciens soulignent que l'effet observé offre un moyen de visualiser les statistiques d'état quantique des photons sources. Cela pourrait trouver une application dans l'informatique quantique, qui a émergé comme un domaine de recherche chaud au cours des dernières années.
Les signaux entrant via une bande supraconductrice sur puce sont affichés en bleu. L'atome artificiel est représenté par un carré dans la partie inférieure gauche de la puce. Il est couplé au ruban supraconducteur et au contact de masse. Crédit :MIPT
Les ordinateurs quantiques sont basés sur la notion qu'un objet quantique est capable d'être dans plusieurs états simultanément. Cette propriété permet d'implémenter des algorithmes quantiques, permettant aux chercheurs de s'attaquer à des problèmes pratiquement impossibles à résoudre dans un délai raisonnable en utilisant des méthodes classiques. En outre, les effets quantiques sont déjà utilisés dans les canaux de transmission de données sécurisés qui rendent impossible l'interception d'informations à l'insu de l'expéditeur et du destinataire.
