Когда будет создан настоящий квантовый компьютер, пока никто не знает, но уже сейчас видно, что интенсивные исследования в этом направлении приводят к значительному прогрессу в понимании нашего физического мира и развитию наноэлектроники в целом.

Недавно группа исследователей из NEC Nano Electronics Research Laboratories, CREST-JST (Япония) и VVT Technical Research Center of Finland сообщила о создании лазера на искусственном атоме. Ранее эта команда, в которую входят наши соотечественники О. Астафьев и Ю. Пашкин, прославилась созданием первых сверхпроводниковых зарядовых кубитов. В новом предложении подобный кубит используется в качестве искусственного атома для лазерной генерации.

Кубит (островок – island) характеризуется двумя зарядовыми состояниями: с избыточной куперовской парой |2> и без нее |0>.

Схема структуры (а), вид кубита сверху в сканирующем электронном микроскопе (b), кубит, связанный с копланарным волноводом-резонатором (CPW) ©, зонная диаграмма и схема переходов в структуре (d).

Куперовская пара поступает через джозефсоновский контакт c электрода земли (ground). Величина электростатической энергии на островке управляется потенциалом затвора (gate). Поскольку частота перехода |0> → |2> настроена в резонанс с расположенным рядом копланарным волноводом, избыток энергии высвобождается в виде фотона, а не каким-то другим образом.

Чтобы создать инверсную заселенность, необходимо эффективно откачивать куперовские пары с островка. С этой целью к нему через туннельный переход подключен контакт стока (drain). Напряжение на него подается такое, чтобы сначала один электрон смог туда протуннелировать после развала куперовкой пары и система перешла в состояние |1> с одним избыточным электроном на островке, а затем и второй электрон – и система перешла в состояние |0>.

Лазерный режим генерации предполагает стимулированное излучение. Оно создается путем перекачки N куперовских пар на островок. При этом в резонаторе возникают N фотонов. Особенностью предлагаемой конструкции лазера является то, что используется всего один атом (правда, искусственный), а не множество, как в обычных лазерах.

Автор – В.Вьюрков

1. O. Astafiev et al, Nature 449, 588 (2007)