Коллектив ученых из лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ, Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН и Сколтеха провел уникальный эксперимент, в котором исследовал явление резонансной флуоресценции в трехуровневой системе. На систему воздействовали сразу два источника излучения. Результаты исследования опубликованы в журнале JETP Letters и поддержаны грантом Российского научного фонда (№24-72-00050).
Большинство квантовых процессоров оперирует кубитами — системами с двумя энергетическими уровнями, аналогами нулей и единиц. Однако природа не ограничена двоичным кодом. При добавлении третьего уровня кубит превращается в кутрит (или трехуровневую систему), что экспоненциально увеличивает вычислительную плотность и возможности кодирования информации.
Однако чем сложнее система, тем труднее заставить ее «танцевать» под дудку экспериментатора, не разрушив хрупкое квантовое состояние. До сих пор основные исследования флуоресценции — то есть переизлучения поглощенного света — фокусировались на двухуровневых системах или использовали простые схемы возбуждения.
Физики столкнулись с вызовом: как поведет себя сложный искусственный атом, если «ударить» по нему не одним, а сразу двумя резонансными импульсами, настроенными на разные энергетические переходы? В мире квантовой оптики это называется бихроматической накачкой, и предсказать результат взаимодействия света и материи в таком режиме — сложная задача.
Для эксперимента авторы работы создали искусственный атом на основе сверхпроводникового контура с туннельными контактами — так называемый трансмон. Это микроскопическое устройство, изготовленное методом литографии на кремниевой подложке, ведет себя как искусственный атом, но, в отличие от настоящих атомов, оно жестко закреплено на чипе и поддается точному инженерному контролю.
Образец охладили в рефрижераторе растворения до температур, близких к абсолютному нулю (около 16 милликельвинов), чтобы исключить любые тепловые шумы, способные помешать квантовым процессам.
Рисунок. 1. (a) Схема бихроматической накачки трехуровневой системы. Монохроматические возбуждения подаются на частотах резонансных переходов g-e и e-f. (b) Оптическое изображение искусственной трехуровневой системы, реализованной с помощью шунтированных джозефсоновских переходов, подвергающейся воздействию (синего) излучения накачки и (красного) зондирующего излучения. (c) Структура оптических переходов при взаимодействии трехуровневой системы с двумя резонансными модами электромагнитного поля. Источник: JETP Letters
Сергей Гунин, научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ, рассказал о деталях процесса: «Мы использовали сложную схему, в которой на систему одновременно подавались два тона возбуждения, попадающие в резонанс с первым и вторым энергетическими переходами. Главной трудностью было выделить полезный сигнал, так как одиночные фотоны, испускаемые искусственным атомом, тонут в шумах усилителей. Нам пришлось применить алгоритмы быстрого усреднения на графических процессорах, выполняя миллиарды операций, чтобы восстановить картину происшествия».
Олег Астафьев, заведующий лабораторией искусственных квантовых систем МФТИ, добавил: «Мы обнаружили, что излучение искусственного атома в таких жестких условиях остается когерентным, то есть упорядоченным во времени. Более того, спектр рассеянного света расщепился на множество компонентов, образовав так называемую мультиплетную структуру. Если в классическом эксперименте с двухуровневой системой наблюдается три пика (триплет Моллоу), то здесь, благодаря наличию третьего уровня и двойной накачке, картина стала значительно богаче. Это похоже на то, как если бы вместо чистого звука камертона мы услышали бы сложный, но гармоничный аккорд».
Полученные в эксперименте данные идеально совпали с расчетами, выполненными в рамках теории открытых квантовых систем. На графиках, иллюстрирующих работу, видно, как с ростом мощности накачки спектральные линии расходятся, образуя характерный узор, напоминающий переплетение нитей. Это подтверждает, что физики не просто наблюдают хаотичные вспышки, а полностью контролируют динамику трехуровневой системы. Важно отметить, что излучение происходило в стационарном режиме, что доказывает стабильность созданной конфигурации.
Рисунок 2. Квантовая партитура. Визуализация того самого «квантового аккорда». Цветовая карта показывает спектр флуоресценции искусственного атома: яркие линии демонстрируют, как частоты излучения расщепляются и переплетаются при изменении мощности внешнего воздействия. Этот сложный узор (мультиплетная структура) подтверждает, что ученым удалось полностью контролировать поведение трехуровневой системы. Источник: JETP Letters
Использованный в работе подход позволяет изучать новые режимы взаимодействия света и материи, недоступные в классических кубитах. Авторы продемонстрировали, что могут считывать информацию о состоянии системы через корреляционные функции полей, фактически видя квантовую статистику фотонов в реальном времени.
Результаты исследования важны для развития квантовой радиофизики. Трехуровневые системы могут служить основой для более защищенных каналов передачи данных и более быстрых квантовых симуляторов. Понимание того, как именно рассеивается свет на таких объектах при сложном возбуждении, дает инженерам «инструкцию» по созданию высокоточных источников одиночных фотонов и детекторов.
Кроме того, подтвержденная возможность точного аналитического описания таких процессов означает, что ученые могут проектировать будущие устройства «на бумаге», будучи уверенными, что в «железе» они заработают так же.
Научная группа планирует дальше усложнять эксперименты, добавляя новые уровни и типы взаимодействий, приближаясь к созданию полноценных квантовых процессоров на основе многоуровневых систем. Исследование показало, что даже в «объятиях» мощных электромагнитных полей искусственные атомы могут сохранять свои квантовые свойства, открывая путь к электронике будущего.
Научная статья: S. A. Gunin, A. V. Vasenin, V. V. Voskresenskii, A. Yu. Dmitriev, D. A. Kalacheva, Ya. T. Shneidman, T. R. Sabirov, G. P. Fedorov, and O. V. Astafiev; Resonance Fluorescence in a Three-Level Superconducting System with Resonant Bichromatic Pumping of Transitions; JETP Letters, Vol. 121, No. 6, 2025, pp. 427–433. DOI: 10.1134/S0021364025600181.
