Fisici dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca (MIPT) e Royal Holloway, Università di Londra, hanno dimostrato un effetto noto come miscelazione di onde quantistiche su un atomo artificiale. I loro risultati, pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura , potrebbe aiutare a sviluppare l'elettronica quantistica di un tipo completamente nuovo.

I ricercatori del Laboratorio di sistemi quantistici artificiali del MIPT guidati dal professor Oleg Astafiev hanno collaborato con i loro colleghi britannici per esaminare un sistema quantistico superconduttore, che è fisicamente equivalente a un singolo atomo. Raffreddato a temperature ultra basse, questo dispositivo emetteva e assorbiva un singolo quanto di radiazione a microonde, nello stesso modo in cui un atomo interagisce con i fotoni di luce.

Atomi artificiali, che sono al centro di questo studio, sono un punto fermo degli esperimenti di ottica quantistica. I fisici usano questi sistemi per studiare i processi che altrimenti sarebbero difficili da studiare, come l'emissione e l'assorbimento di diversi fotoni. Considerando che un atomo reale in una cavità dello specchio emette luce in una direzione arbitraria, un sistema superconduttore irradia in modo controllato. Ciò ha permesso agli autori di rilevare la diffusione di diversi quanti di luce su un atomo artificiale, o miscelazione delle onde.

Nell'output del sistema sopra descritto, i ricercatori hanno osservato sia la radiazione sorgente che le onde elettromagnetiche risultanti dalla sua interazione con l'atomo artificiale. Le frequenze di queste onde sono state determinate dalla natura dell'eccitazione coinvolta. Questo indicava l'effetto del mescolamento delle onde quantistiche, che non era stato osservato in sistemi di questo tipo prima.

Il fascino dei sistemi superconduttori va oltre la loro capacità di rivelare vari effetti ottici quantistici. Secondo gli autori del documento, l'atomo artificiale si raddoppia come un qubit, l'elemento base di un computer quantistico. I qubit consentono calcoli utilizzando unità di informazione di base diverse dai bit convenzionali. Mentre una cella di memoria classica memorizza uno o uno zero, il suo analogo quantistico, il qubit, può trovarsi in entrambi gli stati contemporaneamente a causa di un principio noto come sovrapposizione.

"Il nostro articolo riporta i risultati di un esperimento che dimostra effetti insoliti di miscelazione delle onde su un singolo atomo artificiale nella gamma di frequenze dei gigahertz. Abbiamo esaminato un qubit fortemente accoppiato al campo elettromagnetico nella linea di trasmissione e osservato la miscelazione dello stato quantistico fotonico preparato in il qubit con quello della luce coerente nella linea di trasmissione, " dice lo studente di dottorato del MIPT Aleksei Dmitriev, uno degli autori dello studio. I fisici sottolineano che l'effetto osservato offre un modo per visualizzare le statistiche dello stato quantistico dei fotoni sorgente. Questo potrebbe trovare applicazione nell'informatica quantistica, che è emerso come un campo di ricerca caldo negli ultimi anni.

I computer quantistici si basano sulla nozione che un oggetto quantistico è in grado di trovarsi in più stati contemporaneamente. Questa proprietà consente di implementare algoritmi quantistici, consentendo ai ricercatori di affrontare problemi virtualmente impossibili da risolvere in un lasso di tempo ragionevole utilizzando metodi classici. Inoltre, gli effetti quantistici sono già utilizzati nei canali di trasmissione dati sicuri che rendono impossibile intercettare le informazioni senza che il mittente e il destinatario lo sappiano.