Лазерный мир

Интервью Алексея Огнёва с Олегом Астафьевым «Троицкий вариант — Наука» № 13(307), 30 июня 2020 года

Что такое сверхпроводниковые кубиты? В чем их преимущества? Может ли количество ячеек памяти компьютера превысить число атомов во Вселенной? Зачем нужны искусственные атомы? Как сконструировать источник фотонов «по требованию» и звуковой лазер? Как научная дискуссия может привести к созданию произведения искусства? И может ли наш разум разглядеть реальность за уравнениями квантовой механики? Корреспондент «ТрВ-Наука» Алексей Огнёв поговорил на эти темы с Олегом Астафьевым, профессором Сколтеха и МФТИ. Около двадцати лет тот работал в Японии и Великобритании, но в итоге решил вернуться в Россию. Одна из главных причин — талантливые студенты и оживленные семинары.

В прошлом году мы праздновали двадцатилетие создания первого сверхпроводникового кубита. Он был сделан в группе NEC, где я долго работал. Это так называемый зарядовый кубит — маленький металлический островок размером меньше одного микрона. Такой маленький островок в нейтральном (незаряженном) состоянии может кодировать «ноль». Если же элементарный заряд — а в сверхпроводниках это пара электронов (куперовская пара) — попадает на «остров», его заряд становится равным двум зарядам электрона, и такое состояние будет эквивалентно единице. Контролировать состояние такого кубита можно с помощью электрических сигналов на электродах рядом с островком. Таким образом, мы положили заряд — создали состояние «один», убрали — создали состояние «ноль». Такие кубиты сейчас напрямую не используются, потому что они очень чувствительны к окружающим зарядам в диэлектрике и шумам, которые эти заряды производят. Используются немного более сложные системы: зарядовый кубит с дополнительной емкостью, который еще называют искусственным атомом по аналогии с естественными атомами. Возбужденный искусственный атом — состояние «один», невозбужденный — состояние «ноль».

Пример сверхпроводникового кубита. Светлые области соответствуют плёнке алюминия, напыленной на кремниевую подложку. При охлаждении алюминий переходит в сверхпроводящее состояние. Кубит управляется СВЧ импульсами, которые прикладываются к микроволновой линии

— Расскажите, пожалуйста, подробнее о разрабатываемых вами искусственных атомах.

— Система, с которой мы работаем, имеет квантовые уровни, как обычный атом, но энергии намного меньше — расстояние между уровнями в сто тысяч раз меньше, чем в обычных атомах, как я уже упоминал в контексте энергии фотонов. Тем не менее можно делать эксперименты, аналогичные экспериментам с реальными атомами в квантовой оптике. Но есть отличия. Мы работаем с СВЧ-излучением, а не со светом; для того чтобы подвести такое излучение к нашему образцу, нужно использовать коаксиальный кабель, а не сфокусированный лазерный луч или оптический волновод. С одной стороны, это упрощает жизнь (излучение можно подвести к любому месту на чипе), с другой стороны, создает некоторые проблемы, например: надо спроектировать и изготовить иногда довольно сложную схему СВЧ-линий на чипе.

Обычно в квантовой оптике используется резонатор и вещество, состоящее из множества атомов. Например, так работает лазер: два зеркала, формирующих резонатор, и рабочее тело. В нашем случае резонатор сделан на чипе — это может быть просто полосковая линия прохождения из сверхпроводника с разрывами на концах. Волна отражается на концах, как от зеркал, формируя полосковый резонатор. Рядом с таким резонатором мы можем расположить кубит. В такой системе мы можем продемонстрировать, например, лазерный эффект. Строго говоря, это мазер, потому что частотный диапазон — микроволновый (СВЧ).

Когда я работал в Японии, мы в нескольких экспериментальных работах показали, что на таких системах можно изучать квантовую оптику. Они имеют очень интересные свойства. Состояния таких систем легче контролировать. Обычный атом нужно «поймать» и зафиксировать с помощью поля или найти в кристалле; наш искусственный атом уже располагается на чипе, и мы можем контролировать его состояния при помощи электрических сигналов.

Другое важное свойство наших искусственных атомов — так называемая физически сильная связь. Если мы просто сфокусируем лазерное излучение на одном атоме, то только незначительная часть фотонов будет с ним взаимодействовать. Но если мы возьмем искусственный атом и правильно соберем электрическую цепь, то почти все микроволновые фотоны будут взаимодействовать с нашим атомом. Это происходит потому, что СВЧ-излучение (СВЧ-фотоны), распространяющееся по полосковой линии, не может миновать искусственный атом, тогда как значительная часть сфокусированного лазерного излучения «не заметит» естественного атома на пути.

Другой пример. В оптике продемонстрировать лазерный эффект на одном атоме можно, но тяжело. В нашей системе мы относительно легко можем получить лазерный эффект на одном искусственном атоме. Это простая «рафинированная» система, состоящая из одного атома и одного резонатора, но, тем не менее, демонстрирующая лазерный эффект. Это тоже следствие сильной связи атома с резонатором. Чтобы запустить обычный лазер, нужно подать достаточно большую мощность накачки — преодолеть порог. (Это хорошо известное в лазерной физике свойство лазеров.) В нашем случае лазерный эффект начнется даже при незначительной накачке без преодоления каких-либо порогов. Это необычное свойство в лазерной физике и может быть интересно не только с точки зрения фундаментальной физики, но и с точки зрения будущих приложений.

Звуковой лазер

— Помимо квантовой оптики вы работаете в области квантовой акустики. Расскажите, пожалуйста, о чем идет речь.

— Электромагнитные волны можно заменить на акустические — тогда наша электромагнитная система будет взаимодействовать с фононным полем. Фонон — это не частица, а возбуждение кристаллической решетки, но формально мы можем записать для фононов те же уравнения, что и для фотонов. Квантовая акустика — это очень необычная область, она только начала развиваться. Мы продемонстрировали сильную связь между искусственным атомом — сверхпроводниковой квантовой системой — и акустическим резонатором. Это поверхностные акустические волны в пьезоэлектрике. Можно продемонстрировать совершенно необычные эффекты, — например, можно сделать фононный, то есть звуковой лазер.

— Его можно услышать?

— Частота будет очень высокая, в районе нескольких гигагерц, и человеческое ухо ее уже не слышит; но при определенных условиях ее можно будет попробовать проконвертировать в более низкие частоты и, действительно, услышать звук лазера или, точнее, сазера. Первая буква l от light (‘свет’) должна быть заменена на s от sound (‘звук’).

Полное интервью на https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/435405/Vzglyanut_na_kvantovuyu_optiku_s_novoy_tochki_zreniya