Группа ученых из Японии, Великобритании и России представила результаты своей работы, в ходе которой они сумели использовать сверхпроводящий кубит в качестве однофотонного источника СВЧ-излучения. Статья опубликована в журнале Nature Communications.

Источник представляет из себя кубит, расположенный на стыке двух изолированных друг от друга волноводов, по которым могут распространяться электромагнитные волны. Между кубитом и обеими линиями сочетание проводников и диэлектрика создает два конденсатора, за счет чего кубит оказывается подключенным к линиям через электрическую емкость. Кубит емкостной связью слабо связан с линией управляющего сигнала и сильно связан с линией излучения. Управляющий сигнал воздействует на кубит, переводя его в возбужденное состояние, после чего кубит испускает фотон, который по линии излучения может быть доставлен к последующим элементам схемы.

Такой источник может перестраивать частоту излучения и обладает высокой эффективностью.

Особенность кубита на джозефсоновских контактах, использованного в данном случае, — возможность контроля его магнитным полем. От него зависит разница энергий возбужденного и основного состояния кубита, а значит и частота излучаемого фотона. Изменение внешнего поля позволяет изменять частоту излучаемого фотона в широком диапазоне 7,75–10,5 ГГц. Максимально возможная эффективность, вероятность испустить фотон в линию излучения определяется емкостями, которые осуществляют связь между линиями передач и кубитом. За счет правильного подбора соотношения емкостей эффективность подобного источника может достигнуть 99,99%. На практике, конечно, эффективность ниже, на нее влияют и другие факторы, например, поглощение фотона в диэлектрике. В итоге в измеряемом образце эффективность составила более 65% на всем диапазоне частот, что тоже рекордная величина.

«Данный однофотонный источник обладает высокой эффективностью и возможностью излучать фотоны в широком диапазоне частот. Это позволит использовать его в квантовых компьютерах и других квантовых технологиях, в которых единичные фотоны будут использованы в качестве носителей информации, а также для её хранения, обработки и передачи. Единичный фотон невозможно перехватить, не изменив его состояние, поэтому применение данного источника в квантовых системах передачи данных обеспечит абсолютно безопасную передачу данных. Кроме того, он может использоваться в квантовых симуляторах, моделирующих сложные квантово-механические системы, и для изучения фундаментальных взаимодействий между фотонами и веществом», — объяснил Олег Астафьев из МФТИ, один из авторов работы.