Раби-подобное расщепление — одна из ключевых концепций в современной квантовой технологии. Полное понимание этого явления может помочь нам продвинуть наши знания в области квантовой обработки информации.
Доцент Ааканкша Суд (Университет Тохоку), доктор Кей Ямамото (JAEA), профессор Сигэми Мидзуками (Университет Тохоку) и их коллеги обнаружили, что раби-подобное расщепление можно достичь с помощью нелинейной связи, которая удивительным образом сохраняет симметрию системы. Этот результат открывает различные возможности для углубления нашего понимания нелинейной динамики и явлений связи в искусственном управлении.
Результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters 20 июня 2025 года.
В квантовой физике
При наличии связи между двумя гармоническими осцилляторами с идеальной частотой колебаний частота колебаний расщепляется на две разные частоты в связанной системе. Разница между этими двумя частотами называется раби-расщеплением.
Система обладает двумя пространственно однородными магнонными режимами: синфазным режимом, напоминающим ферромагнитное поведение, и антифазным режимом с характерными антиферромагнитными свойствами.
Хотя частоты этих двух режимов идентичны при некоторых условиях (выполняемых с помощью приложенного извне магнитного поля), для проявления раби-подобного расщепления требуется нарушение симметрии внутри системы. Однако текущее исследование нашло способ обойти это правило.
«Обычно вам нужно нарушить симметрию системы, чтобы достичь раби-подобного расщепления в искусственном магните», — объясняет Сигэми Мидзуками. «Однако мы были в восторге, когда наши экспериментальные и теоретические исследования показали, что это может происходить при сохранении симметрии системы».
Для достижения этого исследователи использовали нелинейную связь. Они индуцировали нелинейную связь с большими радиочастотными токами, воздействуя на искусственный магнит. Этот метод позволяет контролировать манипулирование энергией между режимами.
Эти результаты помогают углубить наше понимание нелинейной динамики и явлений связи в искусственном управлении и могут послужить основой для дальнейших исследований в этой области. Исследовательская группа планирует продолжить этот проект, непосредственно применив этот подход к устройствам, использующим высокоскоростную обработку сигналов.
Исследование проводилось под руководством Института передовых материалов (AIMR), Института передовых исследований (FRIS), Научно-исследовательского института электрических коммуникаций (RIEC), Центра науки и инноваций в спинтронике (CSIS) и Высшей школы инженерии Университета Тохоку в сотрудничестве с Японским агентством атомной энергии (JAEA) и Университетским колледжем Лондона (UCL).
Создание оптических метаповерхностей для шифрования и вычислений
Используя концепцию хиральности, или различия формы объекта и его зеркального отражения, учёные из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) создали оптическую метаповерхность, которая контролирует свет для обеспечения простой и универсальной техники для безопасного шифрования, сенсинга и вычислений.
Представьте, что вы пытаетесь надеть левую перчатку на правую руку: она не подходит, потому что левая и правая руки — зеркальные изображения, которые нельзя наложить друг на друга. Эта «хиральность» играет фундаментальную роль в биологии, химии и материаловедении. Большинство молекул ДНК и сахаров являются правыми, в то время как большинство аминокислот — левыми. Изменение хиральности молекулы может сделать питательное вещество бесполезным, а лекарство — неактивным и даже вредным.
Свет также может быть левым или правым «хиральным». Когда световой луч циркулярно поляризован, его электрическое поле закручивается в пространстве либо по левой, либо по правой спирали. Поскольку хиральные структуры взаимодействуют по-разному с этими двумя типами закрученного света, учёные могут считывать хиральность образца, сравнивая, сколько каждого вида закрученного света поглощается, отражается или задерживается. Однако этот эффект чрезвычайно слаб, что делает точный контроль хиральности важной, но сложной задачей.
Теперь учёные из Лаборатории бионанофотоники в Инженерной школе EPFL совместно с учёными из Австралии создали искусственные оптические структуры, называемые метаповерхностями: двумерные решётки, состоящие из крошечных элементов (метаатомов), которые можно легко настраивать их хиральные свойства.
«Наш «инструмент хирального проектирования» элегантно прост и в то же время более мощный, чем предыдущие подходы, которые пытались контролировать свет с помощью очень сложных геометрий метаатомов», — объясняет руководитель лаборатории бионанофотоники Хатидже Алтуг.
Инновация, имеющая потенциальное применение в шифровании данных, биосенсинге и квантовых технологиях, была опубликована в Nature Communications.
Команда создала метаповерхность из германия и дифторида кальция, которая представляет собой градиент метаатомов с ориентациями, непрерывно изменяющимися вдоль чипа. Форма и углы этих метаатомов, а также симметрия решётки — всё это работает вместе, чтобы настроить отклик метаповерхности на поляризованный свет.
В экспериментальной проверке концепции учёные одновременно закодировали два разных изображения на метаповерхности, оптимизированной для невидимого среднего инфракрасного диапазона электромагнитного спектра. Для первого изображения австралийского какаду данные изображения были закодированы в размере метаатомов — которые представляли пиксели — и декодированы с неполяризованным светом. Второе изображение было закодировано с использованием ориентации метаатомов, так что при воздействии циркулярно-поляризованного света метаповерхность показала изображение знаменитой швейцарской горы Маттерхорн.
«Этот эксперимент продемонстрировал способность нашей техники создавать двойной слой «водяного знака», невидимого для человеческого глаза, открывая путь для передовых приложений защиты от подделки, камуфляжа и безопасности», — говорит исследователь лаборатории бионанофотонных систем Иван Синев.
Помимо шифрования, подход команды имеет потенциальное применение для квантовых технологий, многие из которых полагаются на поляризованный свет для выполнения вычислений. Способность отображать хиральные отклики на больших поверхностях может также упростить биосенсинг.
«Мы можем использовать хиральные метаструктуры, подобные нашей, для определения, например, состава или чистоты лекарств по небольшим объёмам образцов. Природа хиральна, и способность различать лево- и правовращающие молекулы имеет важное значение, поскольку может определять разницу между лекарством и токсином», — говорит исследователь лаборатории бионанофотонных систем Феликс Рихтер.