Ридберговские атомы превратили фотоны радиодиапазона в оптические

Физики смогли превратить фотоны миллиметрового радиодиапазона в оптические с самой высокой на сегодня эффективностью — 58 процентов, говорится в статье, опубликованной в Nature. В роли посредника ученые использовали ридберговские атомы, чьи внешние электронные оболочки оказываются сильно "раздуты". Новый метод превращения фотонов может оказаться полезным в квантовых устройствах, например, в распределенных квантовых сетях на основе сверхпроводящих кубитов.

Процесс создания пригодного для практических применений квантового компьютера затянулся почти на 40 лет, и конца ему пока не видно. Одна из причин состоит в том, что каждая из физических реализаций квантового бита упирается в свои проблемы. Например, сверхпроводящие кубиты отличает простота и технологичность сборки, но их сложно интегрировать в сети. СВЧ-фотоны (сантиметровые радиоволны), которые могут менять состояния сверхпроводящих кубитов, сложно передавать на далекие расстояния. Этого недостатка лишены оптические фотоны, но они не взаимодействуют со сверхпроводящими кубитами. Решить эту проблему могла бы система преобразования фотонов из одного диапазона в другой.

Айшвария Кумар (Aishwarya Kumar) и его коллеги из Чикагского университета сделали шаг к решению этой проблемы: они смогли связать излучение миллиметрового радиодиапазона и оптические моды, используя ридберговские атомы. Эти объекты хорошо подходят для этой цели, поскольку в ридберговских атомах есть все необходимые резонансы: возбуждение из основного состояния на уровень с большим значением главного квантового числа требует оптических фотонов, а переходы между высоколежащими состояниями — радиоволн.

Для эксперимента ученые загружали холодные атомы рубидия в середину резонатора миллиметровых волн. Вдоль всех трех осей у резонатора были входные отверстия. Через одну ось физики "загружали" атомы с помощью транспортной одномерной оптической решетки, через вторую "заводили" моды оптического резонатора, чьи зеркала располагались снаружи, и через третью — накачивали резонатор непосредственно радиоволнами.

Для преобразования между диапазонами физики задействовали основной энергетический уровень 5S_1/2, возбужденный 5P_3/2 и ридберговские 36S_1/2 и 35P_1/2 уровни. В качестве резонанса для входной оптической моды использовался переход с 5P на ридберговские уровни, а для миллиметровой моды — переход между 36S и 35P. Помимо этого авторы включали в схему переход с основного на ридберговские уровни, соответствующий ультрафиолетовым фотонам.

Чтобы доказать, что преобразование с помощью ридберговских атомов возможно, ученые возбуждали милливолновой резонатор небольшим количеством поля (около двух фотонов в среднем) и измеряли, сколько фотонов рождается в оптическом резонаторе. Они определили эффективность преобразования через отношение числа оптических к числу милливолновых фотонов и смотрели, как она зависит от различных параметров схемы: отстроек частот, количества атомов и так далее. В результате физики смогли преобразовать 58 ± 11 процентов поступивших фотонов.

На следующем этапе физики сравнивали сигнал оптического резонатора с включенным и выключенным миллиметровым приводом. Это позволило исследовать тепловой шум низкоэнергетических фотонов, который составил около 0,6 частиц. Тепловую природу фотонов подтвердило и вычисление корреляционной функции. Исследование авторов показывает, что установка способна сохранить неклассические свойства света при конверсии фотонов, позволяя работать в том числе и в режиме одиночных фотонов. В будущем физики планируют довести эффективность конверсии до значений, близких к 100 процентам.

Построенное устройство пока нельзя напрямую использовать для связи сверхпроводящих кубитов по оптоволокну. Во-первых, для этого нужны сантиметровые, а не миллиметровые волны. Во-вторых, построенная установка пока слишком шумная для прямого физического контакта с кубитами. Для решения этих проблем физики предлагают использовать дополнительный конвертер излучения с фильтрацией шумов.

Сохранение когерентности фотонного поля при конверсии — важное достижение авторов. Ранее физики уже производили преобразование видимого излучение в радиоволны и обратно с помощью ридберговских атомов, и даже использовали это для трансляции видеоигры. Однако в тот раз квантовая природа света не играла особой роли — ученые использовали простую модуляцию сигнала.