Ученые могут эффективно обойти это ограничение, используя "параметрическое" усиление для "сжатия" шума - квантовое явление, которое уменьшает шум, влияющий на одну переменную, одновременно увеличивая шум, влияющий на ее сопряженного партнера. В то время как общее количество шума остается неизменным, оно эффективно перераспределяется. Затем исследователи могут проводить более точные измерения, рассматривая только переменную с низким уровнем шума.

Команда исследователей из Массачусетского технологического института и других стран в настоящее время разработала новый сверхпроводящий параметрический усилитель, который работает с коэффициентом усиления предыдущих узкополосных усилителей, обеспечивая при этом квантовое сжатие в гораздо большей полосе пропускания. Их работа является первой, демонстрирующей сжатие в широкой полосе частот до 1,75 гигагерц при сохранении высокой степени сжатия (селективное шумоподавление). Для сравнения, предыдущие микроволновые параметрические усилители обычно достигали полосы пропускания всего в 100 мегагерц или меньше.

Это новое широкополосное устройство может позволить ученым считывать квантовую информацию гораздо эффективнее, что приведет к созданию более быстрых и точных квантовых систем. Уменьшая погрешность измерений, эта архитектура может быть использована в многокубитных системах или других метрологических приложениях, требующих чрезвычайной точности.

"По мере того, как область квантовых вычислений растет, а количество кубитов в этих системах увеличивается до тысяч и более, нам потребуется широкополосное усиление. С нашей архитектурой, всего с одним усилителем, вы теоретически могли бы считывать тысячи кубитов одновременно", - говорит аспирант по электротехнике и информатике Джек Цю, который является членом группы инженерных квантовых систем и ведущим автором статьи, подробно описывающей это достижение.

Старшими авторами являются Уильям Д. Оливер, профессор электротехники и компьютерных наук Генри Эллиса Уоррена и физики, директор Центра квантовой инженерии и заместитель директора исследовательской лаборатории электроники; и Кевин П. О'Брайен, профессор электротехники и компьютерных наук Иммануэля Э. Ландсмана по развитию карьеры.. Статья появится в Физика природы.

Уменьшение шума ниже стандартного квантового предела

Сверхпроводящие квантовые схемы, такие как квантовые биты или "кубиты", обрабатывают и передают информацию в квантовых системах. Эта информация передается микроволновыми электромагнитными сигналами, содержащими фотоны. Но эти сигналы могут быть чрезвычайно слабыми, поэтому исследователи используют усилители для повышения уровня сигнала таким образом, чтобы можно было проводить точные измерения.

Однако квантовое свойство, известное как принцип неопределенности Гейзенберга, требует добавления минимального количества шума в процессе усиления, что приводит к "стандартному квантовому пределу" фонового шума. Однако специальное устройство, называемое параметрическим усилителем Джозефсона, может уменьшить добавленный шум, "сжимая" его ниже основного предела за счет эффективного перераспределения в другом месте.

Квантовая информация представлена в сопряженных переменных, например, амплитуде и фазе электромагнитных волн. Однако во многих случаях исследователям нужно измерить только одну из этих переменных - амплитуду или фазу - чтобы определить квантовое состояние системы. В этих случаях они могут "сжать шум", понизив его для одной переменной, скажем, амплитуды, и одновременно повысив для другой, в данном случае фазы. Общее количество шума остается неизменным из-за принципа неопределенности Гейзенберга, но его распределение может быть сформировано таким образом, что по одной из переменных возможны измерения с меньшим уровнем шума.

Обычный параметрический усилитель Джозефсона основан на резонаторе: он похож на эхо-камеру со сверхпроводящим нелинейным элементом, называемым джозефсоновским переходом посередине. Фотоны попадают в эхо-камеру и, отскакивая, многократно взаимодействуют с одним и тем же джозефсоновским переходом. В этой среде нелинейность системы, реализуемая джозефсоновским переходом, усиливается и приводит к параметрическому усилению и сжатию. Но, поскольку фотоны проходят через один и тот же джозефсоновский переход много раз, прежде чем выйти, соединение находится под напряжением. В результате как полоса пропускания, так и максимальный сигнал, который может принять усилитель на основе резонатора, ограничены.

Исследователи Массачусетского технологического института применили другой подход. Вместо того чтобы встраивать один или несколько джозефсоновских переходов внутрь резонатора, они соединили более 3000 переходов вместе, создав так называемый параметрический усилитель бегущей волны Джозефсона. Фотоны взаимодействуют друг с другом, когда они перемещаются от соединения к соединению, что приводит к сжатию шума без напряжения какого-либо отдельного соединения.

По словам Цю, их система бегущей волны может пропускать сигналы гораздо большей мощности, чем усилители Джозефсона на основе резонатора, без ограничения полосы пропускания резонатора, что приводит к широкополосному усилению и высокому уровню сжатия.

"Вы можете думать об этой системе как о действительно длинном оптическом волокне, еще одном типе распределенного нелинейного параметрического усилителя. И мы можем увеличить количество перекрестков до 10 000 или более. Это расширяемая система, в отличие от резонансной архитектуры", - говорит он.

Почти бесшумное усиление

Пара фотонов накачки поступает в устройство, служащее источником энергии. Исследователи могут настроить частоту фотонов, поступающих от каждой накачки, чтобы генерировать сжатие на желаемой частоте сигнала. Например, если они хотят сжать сигнал с частотой 6 гигагерц, они должны настроить насосы так, чтобы они посылали фотоны с частотой 5 и 7 гигагерц соответственно. Когда фотоны накачки взаимодействуют внутри устройства, они объединяются, создавая усиленный сигнал с частотой прямо посередине двух накачек. Это особый процесс более общего явления, называемого нелинейным волновым смешением.

"Сжатие шума является результатом эффекта двухфотонной квантовой интерференции, который возникает во время параметрического процесса", - объясняет он.

Эта архитектура позволила им снизить мощность шума в 10 раз ниже фундаментального квантового предела при работе с полосой усиления 3,5 гигагерца - частотный диапазон, который почти на два порядка выше, чем у предыдущих устройств.

По словам Цю, их устройство также демонстрирует широкополосную генерацию запутанных пар фотонов, что может позволить исследователям более эффективно считывать квантовую информацию с гораздо более высоким отношением сигнал/шум.

Хотя Цю и его сотрудники взволнованы этими результатами, он говорит, что все еще есть возможности для улучшения. Материалы, которые они использовали для изготовления усилителя, приводят к некоторым потерям в микроволновом диапазоне, что может снизить производительность. Продвигаясь вперед, они изучают различные методы изготовления, которые могли бы улучшить вносимые потери.

"Эта работа не задумана как отдельный проект. У этого есть огромный потенциал, если вы примените его к другим квантовым системам - для взаимодействия с системой кубитов для улучшения считывания, или для запутывания кубитов, или для расширения диапазона рабочих частот устройства для использования в обнаружении темной материи и повышения эффективности его обнаружения. По сути, это что-то вроде плана будущей работы", - говорит он.

Дополнительные соавторы включают Арне Гримсмо, старшего преподавателя Сиднейского университета; Кайдонг Пенг, аспирант EECS в группе квантовой когерентной электроники Массачусетского технологического института; Бхарат Каннан, 22-летний доктор философии, генеральный директор Atlantic Quantum; Бенджамин Линхард, 21-летний доктор философии, постдок Принстонского университета; Янгкю Сон, аспирант EECS Массачусетского технологического института; Филип Кранц, постдок Массачусетского технологического института; Владимир Болховский, Грег Калузин, Дэвид Ким, Алекс Мелвилл, Бетани Нидзельски, Джонилин Йодер и Молли Шварц, члены технического персонала лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института; Терри Орландо, профессор электротехники Массачусетского технологического института и член RLE; Ирфан Сиддики, профессор физики Калифорнийского университета в Беркли; и Саймон Густавссон, главный научный сотрудник группы инженерных квантовых систем Массачусетского технологического института.

Эта работа частично финансировалась лабораториями физики и информатики NTT и офисом директора программы национальной разведки IARPA.