Российские физики впервые смешали свет на искусственном атоме

Группа ученых, в которую входят исследователи из МФТИ, впервые продемонстрировала эффект классического и квантового смешивания света на одиночном сверхпроводниковом кубите, выполняющем роль искусственного атома. Статья опубликована в Nature Communications.

«Искусственный атом» — система, во многом похожая на обычный атом (поскольку обе эти системы в некотором приближении можно описать как гармонический осциллятор). Например, такие системы одинаково испускают и поглощают отдельные кванты электромагнитного излучения. Реализовать искусственный атом можно с помощью сверхпроводникового резонатора, настроенного на частоту микроволнового излучения и связанного со сверхпроводящей полоской, по которой передаются сигналы.

В последнее время ученые активно исследуют подобные системы. Например, они превратили одиночный искусственный атом в лазер, добились генерации произвольных квантовых состояний света в резонаторе, научились управлять отдельными фотонами. Все эти эффекты требуют сильной связи между атомами и распространяющимися волнами (то есть отсутствия других каналов потерь энергии помимо излучения), поэтому их трудно наблюдать в квантовой оптике с естественными атомами. Искусственные атомы в этом плане более удобны для исследований.

В данной работе ученые сконцентрировались на исследовании эффекта четырехволнового смешения на одиночном искусственном атоме — кубите, созданном на основе джозефсоновского контакта. Этот эффект заключается в том, что при пропускании световых волн через нелинейную среду они взаимодействуют друг с другом, и возникает излучение на новых частотах, связанных с частотами исходных волн. В действительности, при одновременном рассеянии на искусственном атоме двух волн с одинаковыми амплитудами, но разными частотами  ω₊ и ω₋ физики наблюдали переизлучение кубитом фотонов с частотами 2ω₊  − ω₋, 3ω₊ − 2ω₋ и так далее. Дополнительно на спектр накладывались осцилляции Раби.

Однако помимо классических эффектов в системе также наблюдалось «квантовое» смешивание, возникающее при нарушении временно́й симметрии между импульсами (то есть при их смещении относительно друг друга). В этом случае спектр переизлученных фотонов становился несимметричным, причем бо́льшая часть побочных частот исчезала, и оставалась всего одна частота 2ω₊ − ω₋. Таким образом, полученный спектр сильно отличался от классического случая.

Качественно ученые объясняют этот эффект тем, что смешивание происходит между квантовым состоянием света, «записанном» в кубите после первого импульса, и когерентным состоянием света во втором импульсе. Чтобы проверить это предположение, физики модифицировали систему, наложив на кубит внешнее магнитное поле, так чтобы в нем можно было «записать» более одного фотонного состояния. В спектре излучения такого атома наблюдалось уже три побочных пика, как и предсказывала предложенная учеными модель. А вообще говоря, полное число пиков в спектре связано с числом записанных в кубите фотонов несложной формулой N_пиков = 2N_{фотонов} + 1.

В начале октября мы писали о том, как физики научились управлять динамикой образования и нарушения когерентных связей между элементами цепи из двух кубитов, рассматривая их как тепловые машины.

Дмитрий Трунин