Сотрудники лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ под руководством профессора Олега Астафьева напрямую продемонстрировали фундаментальный процесс обмена энергией между одиночной квантовой системой и электромагнитным импульсом. Ученым удалось увидеть временные осцилляции амплитуды управляющего импульса, распространяющегося в волноводе, соответствующие поглощению и излучению фотона одиночной двухуровневой квантовой системой, сильно связанной с волноводом. В частности, удалось впервые записать нестационарные спектрограммы излучения двухуровневой квантовой системы под действием коротких сигналов накачки. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters и поддержано грантом РНФ № 23-72-01052 «Каскадные системы сверхпроводящих кубитов для нелинейной и квантовой оптики». Изученные эффекты проливают свет на фундаментальные процессы взаимодействия излучения с веществом и могут быть положены в основу считывания кубитов в открытом пространстве.
Для реализации данного эксперимента ученые изготовили сверхпроводниковый кубит, сильно связанный с копланарным волноводом на чипе. Особенность данной архитектуры в том, что по воздействию кубита на управляющий импульс можно полностью восстановить его квантовую динамику, измеряя только поле прошедшей волны.
«Мы показали, что однократно прошедший мимо атома импульс содержит в себе всю информацию об эволюции двухуровневого искусственного атома. В частности, нестационарная спектральная характеристика этого импульса позволяет нам увидеть, как вынужденное излучение переходит в спонтанное. Кроме того, мы продемонстрировали, что энергия импульса в точности уменьшается и увеличивается на один фотон благодаря сильному взаимодействию с атомом — точечным квантовым рассеивателем. Прямое наблюдение этих явлений затруднено из-за шумов, но в нашем опыте это стало возможным благодаря быстрой обработке большого массива экспериментальных данных», — говорит Андрей Васенин, научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ.
Данное исследование иллюстрирует возможность считывания одиночных сверхпроводниковых кубитов без дополнительных резонаторов, которые обычно используются в сверхпроводниковых многокубитных системах. Такой подход в перспективе способствует уменьшению количества квантовых объектов на чипе, что в конечном счете может значительно упростить архитектуру квантовых интегральных схем.
