Охлаждение радиоволн до их основного квантового состояния

В устройстве используется недавно разработанный метод, который исследователи называют взаимодействием давления фотонов, который, по прогнозам, будет использоваться для обнаружения сигналов сверхслабого магнитного резонанса (МРТ) или для приложений квантового зондирования, которые могут помочь в поиске темной материи. Результаты опубликованы в Достижения науки.

Радиоволны, с которыми мы обычно сталкиваемся в повседневной жизни, например, те, которые мы слушаем в машине или те, которые посылают сигналы на наши радионяни в нашем доме, горячие: они содержат шум, который возникает из-за случайного движения атомов в вещи, из которых они излучаются, и даже антенна, которую вы используете для их прослушивания. Это одна из причин, по которой вы слышите статические помехи, когда настраиваете радио в машине на частоту, на которой нет радиостанции.

Волны охлаждения

Один из способов уменьшить этот шум — охладить радиоволны, например, охладив принимающую их антенну до температуры, близкой к абсолютному нулю. Атомы в антенне больше не будут так сильно раскачиваться, и шум уменьшится. Именно это и делается в сверхпроводящем квантовом компьютере, который охлаждается до 10 мК, чтобы эти колеблющиеся атомы не создавали шум в сигналах ГГц, с которыми они работают.

«Однако, — говорит Инес Родригес, исследователь из Технического университета Делфта, — некоторые приложения, такие как ЯМР, обнаружение темной материи или радиоастрономия, заинтересованы в сверхслабых сигналах на частотах МГц». Для этих сигналов недостаточно охлаждения до 10 мК. Даже при таких чрезвычайно низких температурах случайного движения атомов в устройстве или антенне достаточно, чтобы добавить шум к радиоволновому сигналу. Чтобы избавиться от остаточного шума, необходимо еще больше охладить радиоволны. Но как?

Связь фотонов

В этой работе исследователи из Делфта нашли новый способ противодействовать шуму колеблющихся атомов. Используя схемы, которые используют аналог метода лазерного охлаждения, который часто используется для охлаждения облаков атомов, авторы полностью охлаждали радиоволны в своем устройстве до основного квантового состояния. «Доминирующий шум, оставшийся в цепи, возникает только из-за квантовых флуктуаций, шума, который возникает из-за странных квантовых скачков, предсказываемых квантовой механикой», — говорит руководитель группы Гэри Стил из Делфтского университета. Группа Стила специализируется на квантовом зондировании с использованием сверхпроводящих квантовых схем.

В устройстве используется недавно разработанный метод, который авторы называют взаимодействием фотонного давления. Предполагается, что этот метод найдет интересные применения в обнаружении сверхслабых сигналов магнитного резонанса (МРТ); его можно использовать для многих приложений обработки квантовой информации, связанных с быстро развивающейся областью квантовых вычислений. Кроме того, его можно использовать в так называемых приложениях квантового зондирования и помочь в поиске темной материи, странного типа еще необнаруженных частиц, которые могут объяснить открытые вопросы в гравитации и космологии.