Группа физиков создала квантовый радар, использующий запутанные микроволновые фотоны, которые рождаются в сверхпроводящей нелинейной системе. Ученые экспериментально показали превосходства такого радара над классическими аналогами. Работа представлена в журнале Science Advances.
Использование квантовых ресурсов позволяет не только ускорить вычисления (что реализуется в квантовых компьютерах), но и усовершенствовать другие технологии, такие как детектирование слабых сигналов. Последнее может использоваться в биологии, медицине, геологии и даже в исследованиях космоса. Микроскопические квантовые детекторы позволяют, например фиксировать слабые магнитные поля, которые проникают непосредственно внутрь экспериментальной установки.
Квантовые радары работают несколько по-другому. Они рождают квантово-коррелированные частицы, которые могут быть использованы для детектирования объектов. В англоязычной литературе такой подход называется квантовой подсветкой (quantum illumination), он был впервые предложен в 2008 году американским ученным Сетом Ллойдом. Квантовая подсветка основана на квантовой запутанности между частицами (в работе Ллойда речь шла о фотонах), которая позволяет использовать одиночные частицы. В результате такой детектор становится неинвазивным — со стороны объекта практически невозможно сказать, произошло детектирование или нет. Такой подход очень актуален в биомедицине, также в нем заинтересованы военные.
C 2008 года было предложено несколько реализаций на оптических фотонах (терагерцовые частоты), однако микроволновый диапазон (гигагерцовые частоты), который активно используется в квантовых вычислениях, не был изучен с точки зрения квантового детектирования. Теперь физики под руководством профессора Йоханесса Финка (Johannes Fink) создали и протестировали первый прототип микроволнового квантового радара на основе Джозефсоновского параметрического осциллятора, охлажденного до нескольких милликельвинов.
Группа использовала эффект параметрического рассеяния в сверхпроводящей системе, которая содержала Джозефсоновские контакты. Такие контакты также используются в сверхпроводящих квантовых компьютерах. Система накачивалась микроволновым сигналом, из-за чего рождалась пара запутанных фотонов, каждый из которых отправлялся по разным каналам.
Один из каналов вел к детектируемому объекту, который находился при комнатной температуре. Фотон отражался от объекта, если объект присутствовал, и покидал измерительную схему, если объекта не было. В то же время второй фотон по другому каналу отправлялся в детектор, который также находился при комнатной температуре. Если объект находился там, где его ожидали увидеть, то первый фотон так же попадал на детектор. Таким образом наличие двух запутанных фотонов свидетельствовало о том, что объект был задетектирован. Запутанность проверяли путем измерения корреляций в измеряемых сигналах.
Квантовое превосходство такого метода состоит в том, что если бы объекта не было, то вероятность того, что детектор покажет пару запутанных фотонов, невероятно мала, потому что запутанность создана искусственно — если взять случайно пару фотонов из разных точек пространства, то они почти наверняка окажутся незапутанными.
Ученые смогли провести детектирование объекта на расстоянии до 1 метра, причем мощность используемого сигнала была ниже, чем в классическом случае. Для этого физики измерили отношения мощности сигнала к шуму, чем выше это значение, тем меньшие мощности могут быть использованы.
Ранее мы писали о том, что китайские ученые представили прототип квантового радара. Больше про технологии, которые используются в квантовых радарах, вы можете прочитать в нашем материале «Квантовые технологии».
Михаил Перельштейн
Роль магнитного поля сыграло туннелирование в оптической решетке
Физики впервые экспериментально сгенерировали дробные квантовые состояния Холла в двумерной системе ультрахолодных атомов. Как сообщается в Nature, в созданных состояниях удалось пронаблюдать основные свойства дробных холловских: подавление двухчастичного взаимодействия, сильные (анти)корреляции плотности и дробную величину аналога холловской проводимости. Дробный квантовый эффект Холла возникает в двумерном электронном газе в сильных магнитных полях. Одноименно заряженные электроны отталкиваются друг от друга, однако не могут разлетаться прямолинейно из-за сильного магнитного поля, которое резко закручивает импульс частиц и порождает сложное коллективное движение в системе: поведение отдельных частиц не независимо, а наоборот сильно скоррелировано. В таких ситуациях вместо рассмотрения каждого электрона в отдельности изучают коллективную волновую функцию системы, выделяя основное состояние системы (низшее по энергии) и возбужденные состояния (с энергией выше основного) — квазичастицы. При этом эффективная масса или заряд последних не обязаны совпадать с характеристиками исходных частиц. Так, еще в восьмидесятых годах прошлого века было установлено, что в дробном квантовом эффекте Холла заряд собравшихся из коллективных электронных возбуждений квазичастиц оказывается дробным по отношению к заряду самих электронов. Этим можно объяснить наблюдаемую дробную холловскую проводимость: в обычной ситуации эта величина в единицах отношения квадрата заряда электрона к постоянной планка (обратный квант электрического сопротивления) равна целому числу, а в дробном эффекте Холла принимает нецелые значения. Более того, даже статистика таких квазичастиц может быть промежуточной по отношению к стандартной классификации элементарных частиц на бозоны и фермионы: состояния не обязаны быть строго симметричными или антисимметричными по отношению к перестановкам. Такие экзотические свойства делают дробные холловские состояния перспективным инструментом для квантовых вычислений. При этом вместо того чтобы создавать и контролировать сильные магнитные поля во многоэлектронных системах, физики стремятся создать аналогичные по свойствам, но легко контролируемые квантовые системы — например, из ультрахолодных атомов в оптической решетке. Тем не менее, до недавнего времени об экспериментальной реализации дробных холловских состояний в системах ультрахолодных атомов не сообщалось. Теперь физики из Австрии, Бельгии, Германии, США и Франции под руководством Маркуса Грейнера (Markus Greiner) из Гарвардского университета смогли создать дробные холловские состояния в системе двух ультрахолодных атомов рубидия-87. Для этого исследователи размещали атомы в квадратной оптической решетке (на пересечении двух лазерных лучей) размером в четыре ячейки с каждой стороны, и на протяжении эксперимента контролировали их положение (с разрешением в одну ячейку) с помощью флуоресцентных изображений. Первоначально атомы находились соседних краевых ячейках решетки. Затем авторы, контролируя параметры ячейки, по очереди адиабатически медленно создавали туннелирование по каждой из осей решетки, симулируя тем самым поведение заряженных частиц в сильном магнитном поле. В результате пара атомов рубидия переходила в коллективное состояние, которое физики фиксировали и после анализировали сходство с состояниями дробного холловского типа по свойствам получившегося пространственного распределения плотности и зависимости этих свойств от величины эффективного магнитного поля. В результате авторы обнаружили в итоговых состояниях все ключевые характеристики дробных холловских состояний. Во-первых, удалось зарегистрировать подавление двухчастичного взаимодействия: начиная с критических значений магнитного потока (при переходе к коллективному состоянию) в несколько раз (по сравнению с обычным состоянием) снижалась вероятность наблюдать оба атома в одной и той же ячейке решетки. Во-вторых, эффективная холловская проводимость приняла дробное значение — этот параметр исследователи оценивали через производную средней плотности атомов в центральных четырех ячейках по величине эффективного магнитного потока. Наконец, в-третьих, при надкритической величине эффективного поля кратно возрастали значения (анти)корреляции плотности по всей оптической решетке, что свидетельствует о переходе к зависимому, коллективному поведению системы. При этом сходство оказалось не только качественным, но и количественным: измеренные величины совпали с теоретическим прогнозом для дробного холловского состояния в пределах погрешности, что позволяет заявить о надежной регистрации этого состояния в системе ультрахолодных атомов. Кроме того, чтобы оценить качество адиабатической подготовки коллективного состояния из исходного, в части опытов физики вместо фиксации результата проделывали подготовку в обратной последовательности, от конечного состояния к начальному. Вероятность обнаружить в этом «новым начальном» состоянии исходное начальное исследователи использовали как количественную оценку адиабатичности своих манипуляций: эта величина составила около 43 процентов. По словам авторов, экспериментальный результат является первым шагом в освоении контролируемых манипуляций с сильно скоррелированными состояниями ультрахолодных атомов и в будущем может оказаться практически полезным для квантовых технологий. Ранее мы рассказывали о том, как орбитальное движение атомов повлияло на формирование ультрахолодных димеров в оптических решетках и о том, как свет помог собрать ультрахолодную молекулу из двух атомов.