Ученые создали самый малошумящий квантовый микроволновый усилитель, способный переключатся в режим генератора - «Наука и технологии»

Ученые из Швейцарского федерального политехнического университета Лозанны (Swiss Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, EPFL) создали для проведения экспериментов схему микроволнового квантового резонатора, основой которого является мембрана крошечного металлического "барабана". Охлажденный до минимально возможной температуры и самого низкого уровня энергии, определенного принципами квантовой механики, этот микробарабан превращается в своего рода квантовый "резервуар", внутри которого квантовое состояние фотонов микроволнового излучения сохраняется неизменным в течение достаточно длительного промежутка времени.

Напомним нашим читателям, что микроволновое излучение - это электромагнитные волны, почти такие же как и свет, но частота которых ниже частоты волн света на четыре порядка. Микроволновое излучение используется в ряде технологий, используемых нами каждый день, в микроволновых печах, в сотовой и спутниковой связи, к примеру. И в последнее время микроволновое излучение все больше и больше начинает использоваться в квантовых технологиях, основанных на явлении сверхпроводимости.

Созданный швейцарскими исследователями из швейцарского центра микро- и нанотехнологий "микробарабан" имеет диаметр 30 микрометров и толщину 100 нанометров. Положение мембраны этого барабана модулирует частоту квантового резонатора, и наоборот, приложенное к этому микроскопическому конденсатору напряжение позволяет управлять положением мембраны. Такое двунаправленное взаимодействие позволяет реализовать обмен энергией между механическими колебаниями и микроволновым излучением.

Эффект обмена энергией используется для охлаждения микробарабана до его самого низкого энергетического состояния при помощи микроволнового излучения определенной частоты. Каждый из микроволновых фотонов, покидающий резонатор, уносит с собой частичку его энергии. И когда энергия этой квантовой системы становится минимально возможной, возникает несколько интересных эффектов.

Настроив соответствующим образом взаимодействие между цепями квантовой схемы и охлажденными микробарабаном, это все можно превратить в усилитель микроволнового излучения. Этот усилитель, как и все остальные усилители, обладает собственными шумами, которые невозможно полностью подавить и которые служат помехами для усиливаемых сигналов. Но самым интересным является то, что уровень этих шумов в данном случае практически близок к минимальному пределу, определяемому законами квантовой физики. Другими словами, созданный швейцарскими учеными микроволновый усилитель является самым малошумящим на сегодняшний день.

Вторым интересным аспектом данного изобретения является то, что при другой соответствующей настройке вся схема превращается в эффективный квантовый генератор, микроволновый лазер.

И в заключение следует отметить, что созданная учеными квантовая оптико-механическая система может стать узлом квантовых вычислительных систем, усиливая микроволновые сигналы, в которых заключена квантовая информация, или генерируя "пачки" запутанных на квантовом уровне микроволновых фотонов.