Квантовые технологии — это системы, которые используют квантово-механические эффекты для вычислений, обмена информацией или выполнения других функций. Они зависят от квантовых состояний, которые необходимо надёжно передавать и защищать от декогеренции (то есть постепенной потери квантовой информации).
В последние годы физики-квантовики и инженеры представили так называемые гигантские атомы — искусственные структуры, которые ведут себя как увеличенные атомы и могут быть использованы для разработки квантовых технологий.
В недавней статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, исследователи из Технологического университета Чалмерса представили новые тщательно разработанные гигантские «суператомы» (ГСА), новый тип структур, подобных гигантским атомам, которые могут генерировать запутанность и обеспечивать надёжную передачу квантовых состояний между различными устройствами.
Что такое гигантские суператомы?
«В последние годы возрос интерес к так называемым гигантским атомам, которые представляют собой квантовые излучатели, взаимодействующие со своим окружением в нескольких пространственно разделённых точках», — рассказал Лей Ду, первый автор статьи, изданию Phys.org.
«Эти установки позволяют свету, излучаемому из одной точки связи, интерферировать со светом из другой, что приводит к необычным квантовым эффектам, таким как поведение без декогеренции и хиральная (направленная) эмиссия. Наша цель — сделать решающий шаг вперёд, задавшись вопросом: что произойдёт, если мы введём внутренние взаимодействия в такие нелокальные квантовые системы?»
Ду и его коллеги разработали концепцию ГСА — составных систем, состоящих из двух или более искусственных атомов, которые коллективно ведут себя как многомерный (многоуровневый) гигантский квантовый излучатель. Ключевой целью их недавнего исследования было изучение потенциала этих систем для генерации, управления и распределения квантовой запутанности при одновременном предотвращении декогеренции.
Особенности гигантских атомов
Гигантские атомы — это атомоподобные системы с дискретными энергиями, которые ведут себя в соответствии с законами квантовой механики. В рамках своего исследования учёные поставили задачу разработать новые системы, подобные гигантским атомам, эффективные энергетические уровни которых формируются коллективно двумя или более связанными искусственными атомами.
«Гигантские атомы называются так потому, что они больше длины волны света, с которой они взаимодействуют, что сильно отличается от обычных атомов», — объяснила Джанин Сплеттстоссер, соавтор исследования.
«Представленный здесь ГСА — это группы искусственных атомов, которые сильно связаны друг с другом и имеют точки связи, расположенные таким образом, что группа становится „гигантской“. Такое расположение открывает возможности для принципиально новых концепций».
В своей статье исследовательская группа представила две конфигурации ГСА, характеризующиеся различным расположением точек связи. К ним относятся плетёные ГСА, в которых точки связи ГСА переплетаются, и отдельные ГСА, в которых эти связи не переплетаются.
Плетёные ГСА показали себя перспективными для передачи или обмена квантовой информацией между ними с сохранением квантовой когерентности. Отдельные ГСА, с другой стороны, лучше подходят для реализации хиральной эмиссии — явления, которое влечёт за собой излучение фотонов, преимущественно движущихся в одном направлении по волноводу или оптическому интерфейсу.
«Мы показали, как ГСА можно спроектировать для детерминированной передачи запутанных состояний из одного места в другое без потери информации — что крайне важно для построения систем квантовой связи», — сказала Сплеттстоссер.
Исследователи показали, что тщательно разработанные ГСА могут стать многообещающей платформой для реализации передачи квантовых состояний без декогеренции и хиральной эмиссии, зависящей от состояния. В будущем конфигурации ГСА, представленные учёными, могут быть использованы для создания сетей квантовых устройств или распределённых систем квантовых вычислений.
«Я считаю, что ключевым достижением статьи является концептуальный переход от гигантских атомов к ГСА», — сказал Антон Фрис Коккум, соавтор исследования.
«Переход от малых к гигантским атомам десять лет назад открыл нам глаза на простые, но мощные интерференционные эффекты, которые ранее не использовались. Теперь мы расширяем применение этих интерференционных эффектов на гораздо более широкий класс систем».
В последние годы гигантские атомы зарекомендовали себя как перспективные системы для защиты и управления квантовой информацией. Ду, Сплеттстоссер, Коккум и их коллега Синь Ван надеются, что ГСА предложат аналогичные преимущества, но в большем масштабе, облегчая надёжную передачу квантовой информации между различными системами или устройствами.
«Мы очень заинтересованы в изучении поведения ГСА в более экзотических средах, таких как топологические или неэрмитовы фотонные структуры», — добавил Ду.
«Эти среды могут предложить новые способы защиты запутанности или управления фотонами необычным образом. Ещё одно перспективное направление будущих исследований — это распространение нашего предложения на более сложные квантовые состояния в многомерных системах или системах с непрерывными переменными, где можно эффективно получать доступ к более сложным квантовым состояниям и управлять ими. В конечном итоге наша цель — перейти от теоретических предложений к практическим квантовым технологиям, использующим уникальные свойства ГСА».
© 2025 Science X Network