量子技術の世界は、文明全体の歴史と同じくらい豊かで紛らわしいです。 この分野でのいくつかの発見は私たちを驚かせるかもしれませんが、他の発見は知的st迷の状態をもたらします。 そしてすべては、量子世界はそれ自身の法則に従って生きており、しばしば古典物理学を気にかけないからです。 私たちは、「量子」という言葉を、より速くより多く実行できる計算に関連付けるのに慣れています。 しかし、これは量子テクノロジーの唯一の応用とはほど遠いものです。 本日は、量子力学により、科学者が無線周波数共振器を量子レベルで操作するために使用できるアーキテクチャを作成できる研究を見ていきます。 簡単に聞こえますが、実際には、これを達成するには多くの「パズル」が必要でした。 量子科学の正確にどのような側面が科学者によって使用されたか、彼らはどのようにそれらを実現したのか、そしてその正確な由来は研究グループの報告書から学びます。 行こう
研究の基礎
まず、科学者は自分自身に質問をします-量子力学の最も弱い分野は何ですか？ 答えは単一光子です。 そして、単一の光子の検出と操作は難しい作業ではないように思われます。 しかし、メガヘルツ周波数では、極低温でも大きな熱変動があるため、これは非常に問題です。
この研究では、科学者はギガヘルツ超伝導キュビットを使用して、メガヘルツ無線周波電磁界の量子化を直接観察しました。 量子ビットを使用すると、熱放射、基本的な量子力学的状態への冷却、光子のフォック*状態の安定化を制御できます。
フォック*状態は、粒子の数が正確に決定されるときの量子力学の状態です。単一光子による操作中の熱的な「干渉」の問題は、低周波数でより顕著になります。 高温媒体による光子の偶発的な発生と消滅は、 デコヒーレンスを引き起こします* 。 そして、これはランダム状態の組み合わせの形成につながり、そこから量子状態を分離することは困難です。
デコヒーレンス*は、量子力学的システムと環境の相互作用が原因で、振動/波動プロセス（コヒーレンス）の調整に違反するプロセスです。より冷たいシステムを使用して、環境によって作成されたエントロピーを抽出することにより、同様の問題を解決できることは論理的です。 実際には、このソリューションは熱リザーバーと呼ばれます。
科学者は、量子電気力学スキームにリザーバー技術を適用しており、これにより、量子レベルで電磁場を効率的に冷却および操作することができました。
彼らの研究では、科学者は熱的に励起されたメガヘルツ光子共振器の制御を獲得することができ、それにより無線周波電磁界の量子化を観察することが可能になりました。 そして、量子状態の操作は、リザーバーによって達成されました。 科学者はまた、フォックの単一光子および二光子状態を安定させることができました。
すべての基礎は、共振器の光子と超伝導キュビットの分散結合による共振器の読み取りと制御にあります。 ただし、ギガヘルツキュビットとメガヘルツフォトンがある場合、従来の量子電気力学スキームでのそれらの間の接続（接続）は非常に弱くなります。 しかし、科学者は新しい接続方法を提案することでこの障害を克服しました。
調査結果
イメージNo. 1
科学者によって作成されたスキームにより、キュービットと光子の間に非常に強いつながりが生じます（ 1A ）。 この図は、とりわけ次の要素で構成されています。
L J —ジョセフソン接触、41 nH（ナノジェリー）;
C L-コンデンサ、11 pF（ピコファラッド）;
L-スパイラルインダクタ、28 nH。
低周波数では、スパイラルインダクタの寄生容量*は無視でき、代替回路（ 1B ）の場合、最初の遷移の周波数はωL =2πx 173 MHzに等しくなります。 ギガヘルツ周波数がある場合、CLは短絡回路になり、スパイラルインダクタの容量C H = 40 fF（フェムトファラッド）になります。 この場合、並列接続（ 1C ）L J 、LおよびC Hの最初の遷移周波数は2πx 5.91 GHzです。 回路のこの構成により、両方のモデルがジョセフソンの接触を共有できます。
スプリアスキャパシタンス* -電子（この場合は電気力学）回路の要素間で発生する望ましくない容量結合。この接点にはインダクタンスがあり、これは通過する電流の振動に応じて変化します。 これを考慮して、高周波（HF）モードの共振周波数は、低周波（LF）モードの励起数に応じてシフトし、逆もまた同様です。
このようなクロスカー相互作用は、1光子あたりのオフセット数x =2√AH A Lによって定量化されます。ここで、 非調和* HFおよびLFモードはA L = h x 495 kHzおよびA H = h x 192 MHzに等しくなります。
非調和* -調和振動子からのシステムの偏差。クロスカー相互作用は、測定されたマイクロ波反射S 11の光子数の分裂として現れます。
グラフ1Dからわかるように、強いクロスカー相互作用により、共振器内のフォック光子状態（|0⟩、|1⟩、|2⟩...）の量子振動は、キュービット遷移の周波数のシフトにつながります。
システムの固有状態は、| j、n⟩としてマークされました。ここで、j = g、e、f、...は高周波モードの励起であり、n = 0、1、2 ...は低周波モードです。
ピークnの振幅は、P n〜ext / k nに比例します。ここで、P nは低周波モードの光子数の位置であり、 ext / k nはext /2π= 1.6 MHz への外部接続とピークnの nの幅の差です。 ピークの高さP nのボーズ・アインシュタイン分布に従って、科学者は光子の平均数n th = 1.6を決定しました。これはモード温度17 mK（ミリリケルビン）に対応します。
Bose-Einstein統計*は、熱力学的平衡状態にあるエネルギーレベルでゼロまたは整数スピンを持つ同一粒子の分布です。個々の光子のピークの解像度は、n≪ x / forの条件によるものです。 したがって、ピークの幅はnの増加とともに増加します： k n = k （1 + 4 n th （H））+2γ（ n +（1 + 2 n ） n th ）。 この式では、 k /2π= 3.7 MHzが高周波モード損失のレベルであり、γ/2π= 23 kHzが低周波モード損失のレベルです。
この場合、n≪ A H / forの条件は、高周波モードからトランスモン（超伝導電荷キュービット）を生成します。 これにより、遷移| g、n⟩⟷| e、n⟩および| e、n⟩⟷| f、n⟩を選択的にアクティブにできます。
しかし、低周波モードでは、すべてが異なります。 その線幅は、熱膨張の部分に制限があるため、わずか数MHzで、ALよりもはるかに大きくなります。 これにより、一種の高調波発振器になります。
状態間の粒子遷移のプロセスは、回路をωp周波数でポンピングすることにより、接触の非線形性を通じて実行されました。 このプロセスでは、キャビティ内の1光子（低周波モード）が消滅し、トランスモン側に2光子がすでに形成されている場合、一度に相互作用できるのは4光子のみです。
イメージNo. 2
このポンピング方法とモード緩和周波数の大きな違いを組み合わせることにより、メガヘルツ空洞を基底状態まで冷却することができます。 プロセス図を2Aに示します。
冷却は、共振器の熱化率が、| g、1⟩から| g、0⟩への励起の遷移率より低い場合にのみ発生します。 2番目の冷却オプションがあります-遷移を介して| g、1⟩⟷| e、0⟩。 ただし、このプロセスは2光子であるため、より多くのポンピングパワーが必要です。
図2Bは、さまざまな冷却ポンプ出力レベルでのS 11 （マイクロ波応答）の測定値を示しています。 このグラフからわかるように、基底状態の人口レベルが0.82のときに最良の結果が得られます。
人口が協同性*の関数として使用される場合、より高い（より強い）協同性により、基底状態の人口指数の急激な減少が始まることがわかります。 したがって、このような状況では冷却プロセスは不可能になります。
Cooperativity * -要素間の相互作用が、変更プロセスの過程でこのプロセスを加速するような方法で強化するときのシステムの状態の変化。科学者は、冷却を制限し、グラフ2Cで見られるものにつながる3つの主な要因に注目しています-協同性が高いほど、集団の状況は悪化します。
最初の要因は、キュービットの熱分布です。 スワッピングは母集団を| g、1⟩から| f、0⟩に移動しますが、レベルfの熱母集団（非常に小さいにもかかわらず）-0.006があるため、逆のプロセスも発生します。 この関係から、P1 / P0﹥ Pf / Pg（ 2Cの破線）に従います。
2番目の要因は、強力な接続（カップリング）中に、スワッピングが状態| g、1⟩と| f、0⟩をハイブリッド化することです。 gが2kの減衰率を超える場合、状態の人口| g、1⟩は、| f、0⟩への遷移を開始し、| g、1⟩に戻りますが、状態| e、0⟩に減衰する時間はありません。
イメージNo. 3：マルチスレッドポンピングによる非共振衝撃の制限の回避
この制限要因は質量特性によって回避できます。つまり、いくつかの冷却プロセス| g、n⟩⟷| f、 n- 1⟩を同時に開始できます。 このような流量が多いほど、必要な基底状態の人口を達成するために必要なポンピング電力が少なくなります。 したがって、非共振曝露の影響は減少します。
さらに、異なるプロセスを組み合わせることができます| g、n⟩⟷| f、 n- 1⟩および| g、 n 、| f、 n +1⟩。これにより、メガヘルツ共振器のフォック状態の安定化が可能になります。
イメージNo.4
最後に、科学者は、80 ns（ナノ秒）の時間分解能（間隔）でメガヘルツ共振器のリザーバーと熱化を考慮して、システム全体のダイナミクスをチェックしました。 特定の周波数でのマイクロ波反射の測定中、ポンプは50μs（マイクロ秒）にわたってオンとオフを切り替えました。
上の画像はこのテストの結果を示しています。4Aは基底状態への冷却のダイナミクスであり、 4BはFockの単一光子状態の安定化です。
ポンピングによって引き起こされた定常状態を研究した後、後者は停止し、デバイスの熱化のプロセスを観察することが可能になりました。
科学者は、いくつかの結論で研究をまとめました。 第一に、システムは基底状態への冷却とフォック状態の安定化の良い結果を示していますが、さらなる研究を必要とする特定の問題があります。 まず第一に、これは超共鳴効果です。 この問題は、A Hおよびofの正確な値を決定することで解決できます。これにより、冷却プロセスの周波数範囲から非共振プロセスが除去されます。 2番目の方法は、強い接続（結合）の効果がプロセスに大きな影響を与え始める前に、基底状態の人口を高くすることです。 科学者は、この方法は非共振プロセスの悪影響を排除するが、より低いポンプ出力で強い結合が発生するという事実のため、キュービットの散逸を減らすオプションを考慮していません。
研究の詳細をより詳細に知りたい場合は、科学者のレポートとそれに追加された資料を参照することを強くお勧めします。
エピローグ
量子の世界、その法則、制限、利点は理解するのが難しいですが、それは可能であり、最も重要なこととして必要です。 この分野で最も難しい分野の1つは、量子物理学者と古典物理学者の組み合わせです。つまり、量子技術を使用して、古典物理学で記述されたプロセスを変更、制御、改善します。
この研究では、科学者は量子レベルで無線周波数共振器を操作できる量子デバイスのアーキテクチャを作成することができました。 研究者自身は、子孫の将来について楽観的です。 彼らによれば、これは、ボーズ・ハバードシステムでの身体の研究に役立つ、類似しているがはるかに複雑で大規模なシステムの作成に弾みをつけることができます。 科学者はまた、その作成が量子技術とメガヘルツ周波数範囲の物理システムとの間のリンクとして役立つことができると指摘します。 このデバイスは、NMR（核磁気共鳴）の改善や電波天文学でも使用できます。
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