«Нанобарабан» приблизили к квантовому пределу усиления

Физики из университетов Аалто и Ювяскюля (Финляндия) разработали квантовый усилитель микроволнового излучения, способный функционировать с уровнем шума, близким к квантовому пределу. Коэффициент усиления прибора достигает 41 децибелла (12,5 тысяч раз), при этом добавка квантового шума превышала квантовый предел (полкванта) лишь на 4 кванта. По словам ученых, в эксперименте с усилителями-«нанобарабанами» удалось достигнуть рекордно точных измерений микроволнового излучения. Исследование опубликовано в журнале Physical Review X (препринт), кратко о нем сообщает пресс-релиз Университета Аалто.

Квантовые усилители представляют собой устройства, способные регистрировать и усиливать интенсивность некоторого сигнала с помощью процессов, описываемых в рамках квантовой механики. Например, к квантовым усилителям относятся резонаторы в лазерах. Источником шума в таких устройствах является неопределенность Гейзенберга в определении количества частиц и их фазы. В результате к усиленному сигналу добавляется по меньшей мере половина кванта шума. Такой уровень шума незаметен в повседневных задачах, но может помешать работе устройств для квантовой криптографии. Поэтому физики пытаются создать усилители с как можно меньшим уровнем шума.

Одним из примеров таких устройств являются джозефсоновские параметрические усилители. В их основе лежат джозефсоновские контакты — контакты между двумя сверхпроводниками, разделенными тонкой полоской изолятора. Несмотря на наличие непроводящего барьера, ток через него все равно может протекать. При этом свойства контакта сильно зависят от приложенного магнитного поля. На усилитель подается накачка (магнитные поля) и слабый сигнал — микроволновое излучение. На выходе получается усиленный сигнал. Однако, как отмечают авторы статьи, усилители могут работать лишь с достаточно слабыми сигналами.

В новой работе ученые предложили устройство другого типа, лишенное ограничений на интенсивность усиливаемого сигнала — оптомеханический «нанобарабан». В его основе лежит алюминиевая мембрана с резонансной частотой колебаний в микроволновом диапазоне. Рядом с ним находятся два резонатора, настроенные на различные частоты. «Барабан» играет роль конденсатора с переменной электрической емкостью. Она увеличивается и уменьшается в разных фазах колебания. «Барабан» связан с резонаторами через электрические контакты и одновременно влияет на их состояние.

В качестве накачки и усиливаемого сигнала выступало излучение микроволнового диапазона. По словам авторов, «барабан» был способен усиливать сигналы с интенсивностью вплоть до 10¹³ фотонов в секунду — это в тысячу раз интенсивнее, чем предел джозефсоновских параметрических усилителей. Кроме того, устройство способно конвертировать сигнал, изменяя его частоту с резонанса первого резонатора на резонансную частоту второго резонатора. Эффективность этого преобразования близка к 100 процентам.

По словам физиков, новое устройство может стать универсальным «хабом», принимающим и передающим сигналы на различных частотах. Кроме того, если перенести рабочую частоту усилителя в оптический диапазон, то он сможет приблизиться к квантовому пределу шума усиления уже при комнатной температуре, в то время как эксперименты в работе проводились при семи милликельвинах.

Ранее мы писали о необычном эксперименте, использующем квантовые усилители. Физики из университетов Инсбрука, Женевы и Базеля предложили эксперимент, в котором можно будет наблюдать квантовую запутанность невооруженным взглядом. В эксперименте запутанность между парами одиночных фотонов можно было наблюдать благодаря усилителям, работающим на эффекте квантовой интерференции.

Владимир Королёв