Физикам удалось перенести эффект из квантовой оптики в физику твердого тела. Классический колебательный контур, в принципе не более чем электрическая цепь, охлаждался с помощью искусственных макроскопических квантовых объектов, так называемых кубитов. Эксперимент, опубликованный в журнале Nature Physics, может открыть новое направление в современной физике.
Отправной точкой для экспериментов, которые исследователи из Института фотонных технологий (IPHT) проводили совместно с коллегами из Братиславы, Делфта, Инсбрука и Карлсруэ, является лазерное охлаждение атомов, для которого Французский физик Клод Коэн-Таннуджи получил Нобелевскую премию в 1997 году. Атомы или молекулы могут быть сильно охлаждены контролируемым поглощением световых частиц (фотонов) из лазерного луча. В результате они движутся гораздо медленнее, чем неохлаждаемые частицы, и дольше остаются в измерительном приборе, что позволяет проводить более точные измерения. Это используется, например, для повышения точности атомных часов.
«Наша экспериментальная установка имитирует этот подход», - объясняет Евгений Ильичев из отдела квантового обнаружения IPHT. Но вместо отдельного атома, который ведет себя по законам квантовой физики, ученые охлаждают то, что известно как колебательный контур. Это резонансная электрическая цепь, состоящая из катушки и конденсатора, способного совершать электрические колебания. В этом колебательном контуре преобладает низкочастотное электромагнитное поле. В опыте Ильичева этот колебательный контур охлаждается кубитом - т.е. квантовой системой с двумя состояниями.
Ильичеву и его команде потребовалось девять месяцев работы и несколько сотен тысяч евро, чтобы разработать измерительную линейку для решающего эксперимента, которая висит в лаборатории IPHT в окружении охлаждающего контейнера, наполненного жидким гелием.. Энергетические зазоры между двумя состояниями кубита выбираются так, чтобы они находились в микроволновом диапазоне. Таким образом, кубит можно возбудить фотонами с микроволновой частотой, а затем вытянуть энергию из резонансного контура, тем самым охладив его.
«Нам удалось показать, что сверхпроводящие кубиты ведут себя как искусственные атомы и проявляют квантовые эффекты - даже несмотря на то, что у них миллиарды электронов, а не только 55, как у цезия, используемого в атомных часах», - говорит Ил. ичев. Исследователь подчеркивает, что тесты следует рассматривать как чистое фундаментальное исследование. Однако они могут стать основой для разработки чрезвычайно чувствительных детекторов, например, для измерения звука или обнаружения фотонов с очень низкими частотами.