量子メタマテリアルは、破壊することなくマイクロ波光子を測定できます

ビデオ: 量子メタマテリアルは、破壊することなくマイクロ波光子を測定できます

Отличия серверных жестких дисков от десктопных
ビデオ: 【物理学70の不思議06】透明マントはできる? メタマテリアル【固体量子】【VRアカデミア】 2023, 2月
量子メタマテリアルは、破壊することなくマイクロ波光子を測定できます
量子メタマテリアルは、破壊することなくマイクロ波光子を測定できます
Anonim
Image
Image

導波路に埋め込まれた非線形メタマテリアルと分散共振モードの間の結合により、1パーセント未満の誤差で光子を無条件に検出できます。物理学者は、arXiv.orgのプレプリントで、マイクロ波範囲の広帯域単一光子検出器の新しい概念について説明しました。

単一光子検出器は、実験的な量子光学における重要な技術の1つです。紫外、可視、および赤外周波数範囲の光子を検出することは、確立された日常的な技術です。デバイスは多くの科学グループや企業によって製造されており、すぐに購入できます。原則として、それらの動作原理は、敏感な半導体マトリックスまたは超伝導ナノワイヤーによる光子の吸収です。結果として生じる電流パルスは、光子の存在に関する情報を提供する電子デバイスによって記録されます。

ただし、マイクロ波(またはマイクロ波)範囲の光子では、周波数が約5〜20 GHzであるため、状況ははるかに複雑になります。このような光子の検出への関心は、マイクロ波周波数で動作する量子システム(超伝導回路、量子ドット、スピンアンサンブル)の研究で生じます。ご存知のように、単一光子のエネルギーは電磁波の周波数に比例します。マイクロ波の場合、周波数はIRおよび可視範囲の場合よりも4〜5桁低くなります。したがって、マイクロ波光子への応答の登録は非常に重要な問題です。

光子の量子非破壊測定(SOI)の実装は、量子エレクトロニクスと量子通信の大きな展望を開きます。量子力学では、SOIという用語は、システムを測定された状態のままにする強力な投影次元を指します。同時に、従来の検出器で発生する光子の吸収はSOIではありません。光子が存在しなくなった場合、測定後の光の状態について話すことは無意味です。

しかし、通過する光子に破壊することなく、そのパラメータをわずかに変更するだけで反応できるシステムを想像することができます。この場合、光子の存在に関する情報があり、同時にそれは導波路に沿って移動し続け、情報を転送したり、量子システムと相互作用したりすることができます。これは、量子通信を実装し、離れた量子システムを絡ませるために非常に役立ちます。しかし、可視範囲内でさえ、物理学者は長い間SOIを示すことができませんでした。光共振器から反射された光子のSOIが成功したという最初の報告が出たのはほんの数年前のことです。可視光とIR光のSOIフォトンについて詳しくはこちらをご覧ください。

マイクロ波光子のSOIに向けていくらかの進歩もあります。成功した実験(1、2)は、超伝導キュービットを使用した条件付き論理演算によって光子を検出することを示唆しています。ただし、このようなプロトタイプは、キャビティ内の光子の時間的キャプチャに依存しているため、検出された光子の周波数帯域が極端に狭くなり、検出器の量子効率も制限されます。これにより、このようなスキームを大規模に使用することは不可能になります。したがって、マイクロ波範囲で広帯域で効率的で非破壊的な単一光子検出器の概念を開発することが特に重要です。

Image
Image

検出器の概念。非線形メタマテリアル(オレンジ)が導波管に埋め込まれ、共振器に結合されます。共振器の電界を測定すると、光子が検出されます。

マサチューセッツ工科大学バークレー校とシャーブルック大学のArneGrimsmoらは、単一のマイクロ波光子を検出できる弱非線形量子メタマテリアル検出器について理論的に説明しています。メタマテリアルは、ジョセフソン接合の長いチェーンで構成されており、概念的にはジョセフソン進行波パラメトリック増幅器に似ています。検出帯域幅は、光子周波数に制限を課す可能性のある共鳴相互作用がないことによって保証されます。

提案された検出器は、2つの要素の組み合わせです。これらの最初のものは、左右の複合メタマテリアルです。これは、直列接続された静電容量とインダクタンスを介して相互接続された調和振動子で構成されています。 2番目の要素は、半波コプレーナ共振器の基本モードです。メタマテリアル内のフォトンの数を読み取る必要があります。メタマテリアルは、回路がジョセフソン接合で構成される非線形要素を介して共振器に接続されます。

著者らは、プローブモードで電界を測定することにより、メタマテリアル内の光子を検出する可能性を研究しました。これを行うために、彼らは最初に提案されたメタマテリアルとテストモードの間の相互作用のハミルトニアンを計算しました。メタマテリアル内の光子の有無によって、共振器内の電界の大きさが変化することが判明しました。これは、いわゆる縦方向の相互作用またはXZ相互作用が実現されていることを意味します。

Image
Image

XZ相互作用のハミルトニアン

提案されたアーキテクチャでは、光子を検出するには、共振器の出力フィールドを測定するだけで十分です。積分されたホモダイン信号が特定のしきい値を超える場合、光子検出について話すことができます。この概念の利点の中で、著者は、メタマテリアルの動作帯域を選択する可能性にも注目しています。これは、低周波ノイズを遮断し、プローブモードの周波数がメタマテリアルの動作範囲に入るのを防ぐために必要です。 。

逆作用とシャドウノイズは、非破壊検出器の重要な特性です。プローブモードがメタマテリアルの光学的に長いセクションに関連付けられているという事実によって、逆の動作が最小限に抑えられることが研究で指摘されています。したがって、測定の行為は、光子の位置に関する情報をほとんど提供しません。これは、運動量、特に光子の後方反射をほとんど変化させないことを意味します。

Image
Image

光子検出シミュレーション。キャビティ内のフィールドのウィグナー関数(下)は、メタマテリアルが埋め込まれた導波路内の光子のさまざまな位置に対してプロットされています(上)。

これらの仮定をテストするために、著者はメタマテリアル内の光子伝搬のプロセスとその測定の数値シミュレーションを実行しました。計算は、光子伝搬の軸に沿って、非線形メタマテリアルを含むフォトニック導波路の時間発展と離散化をトロッターすることに基づいています。共振器場の連続ホモダイン検出による測定の逆効果は、測定結果に応じて量子軌道の形で状態を表すことによって考慮されました。シミュレーションでは、状態を行列積として表すために確率的MPSアルゴリズムを使用しました。

計算結果は、検出器が無条件に、つまり、光子が導波路に入る時間を参照せずに光子を検出することを示しました。検出の信頼度は90%を超え、メタマテリアルと共振器の間の有効な結合が増加するにつれて指数関数的に増加します。提案された検出器は、高いスループットと高い検出精度と相まって、光子測定後のフィードバック、弱い単一光子測定、他の測定回路またはコヒーレント相互作用を使用したカスケード光子検出など、単一光子の測定と制御の新しい可能性を開きます。

Image
Image

結合の強さに応じて、光子を検出できる空洞内の場の個別の量子軌道(上)と光子のさまざまな時間プロファイルの検出誤差の大きさ(下)

単一光子操作は、量子光学および量子通信で広く使用されているツールです。以前、光子が量子メモリのノードを絡めるのにどのように役立つか、そして物理学者がどのようにチップ間で光子をテレポートするかについて話しました。

トピックによって人気があります