Презентация на тему "КВАНТОВАЯ ОПТИКА ДЖОЗЕФСОНОВСКИХКУБИТОВ"

Содержание

• 
  Слайд 1

  КВАНТОВАЯ ОПТИКА ДЖОЗЕФСОНОВСКИХКУБИТОВ

  А.Н.Омельянчук Физико-технический Институт низких температур им.Б.И.Веркина НАН Украины г.Харьков

• 
  Слайд 2
  

  Введение Квантовая механика. Мезоскопика. Сверхпроводимость.Эффект Джозефсона. Квантовые компьютеры. Джозефсоновские кубиты. Квантовая оптика. Атом в резонаторе. Искусственный атом в квантованном электромагнитном поле. Квантовое поведение Джозефсоновского кубита связанного с резонатором. Теория и эксперимент.

• 
  Слайд 3
  

  Circuit Quantum Electrodynamics (CQE) Джозефсоновский КУБИТ , содержащий миллиарды атомов, может вести себя как один – искусственный атом. Свойства кубитов замечательны и позволяют изучать новые режимы квантовой оптики, не достижимые с обычными атомами. Квантовая оптика Квантовая электродинамика Сверхпроводящие цепи (circuits) c Джозефсоновскимиконтактами КУБИТЫ ! В настоящее время большой интерес привлекает проблема “квантовой оптики искусственных атомов” - поведения джозефсоновских кубитов в квантованном электромагнитном поле. Макроскопическая двухуровневая система помещается в высокодобротную СВЧ-резонансную линию (квантовый резонатор) и изучаются эффекты фотон-кубитного взаимодействия. Большой дипольный электрический или магнитный момент кубита, в отличие от микро атома, позволяет изучать эффекты сильной связи квантовой системы с квантованным электромагнитным полем.

• 
  Слайд 4
  
• 
  Слайд 5
  

  Новые принципы, новые эффекты Высокий уровень технологий Необходимы: Малые (субмикронные) размеры Низкие температуры (милликельвины) Принципиально новые приборы Квантовые компьютеры Сверхчувствительные детекторы Мысленные эксперименты и парадоксы квантовой механики (ЭПР пары, «Шредингеровский кот») уже экспериментально реализованы в мезоскопических джозефсоновских структурах.

• 
  Слайд 6
  

  СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ Сверхпроводник имеет нулевое электрическое сопротивлениениже некоторой критической температуры . Ток в сверхпроводящем кольце течет не затухая без потерь. Магнитное поле выталкивается из сверхпроводника (идеальный диамагнетизм). Эффект Джозефсона Сверхпроводимость – макроскопическое квантовое явление

• 
  Слайд 7
  

  КВАНТОВЫЙ КОМПЬЮТЕР КУБИТ = квантовый бит Суперпозиция и интерференция квантовых состояний = параллелизм квантовых вычислений Факторизация (разбиение на простые сомножители) 250-значного числа: Классический компьютер 800000 Квантовый компьютер секунды лет

• 
  Слайд 8
  

  Любая квантово механическая когерентная система может быть использована для реализации идей квантовых вычислений. одиночные фотоны ядерные спины ионы в ловушках электроны в квантовых точках сверхпроводящие квантовые цепи IBM 7-qubit квантовый молекулярный компьютер L. M. K. Vandersypen, et al. Nature 414 , 883 (2001) Преимущества твердотельных реализаций масштабируемость использование современной литографии ДЖОЗЕФСОНОВСКИЕ КУБИТЫ

• 
  Слайд 9
  

  КУБИТЫ ОСНОВАННЫЕ НА ДЖОЗЕФСОНОВСКИХ КОНТАКТАХ Джозефсоновский контакт являетсясущественно нелинейным элементом.. Это используется для инженерии систем Гамильтониан которых эквивалентен двух уровневой квантовой системе, например спину ½ в магнитном поле. На нынешнем уровне микротехнологий возможна инженерия Джозефсоновских структур с хорошо определенными свойствами  масштабируемость: потенциально высокая связь между кубитами (статическая,перестраиваемая, через резонатор) Джозефсоновские системы могут управляться электромагнитными сигналами Манипуляция:Магнитное поле, напряжение,микроволновые импульсы Хорошие детекторы:Считывание состояния: SQUIDы, SET ”Большие системы”Относительно короткие времена декогерентности(4 µs)  Минимальный уровень декогерентности среди твердотельных кубитов Охлаждение малые энергии требуют охлаждения до

• 
  Слайд 10
  

  Электронная фотография зарядового кубита Схема и фотография трехконтактного потокового кубита. Кубит помещен в двухконтактный SQUID измеряющий состояние кубита.

• 
  Слайд 11
  

  E1 E0 Джозефсоновский кубит – макроскопический “атом” к которому можно присоединить провода

• 
  Слайд 12
  

  КВАНТОВАЯ ОПТИКАквантовая электродинамикаАтомы + фотоны Спонтанное излучение Лэмбовский сдвиг Резонансная флуоресценция Лазерная генерация Атом в квантовом резонаторе

• 
  Слайд 13
  

  Спонтанное излучение Атом в возбужденном состоянии переходит в основное состояние 1s 2p 2s Необратимое спонтанное затухание в фотонный континуум: Теория Вайкопфа-Вигнера

• 
  Слайд 14
  

  Лэмбовский сдвиг Вакуумные флуктуации: излучение и реабсорбция виртуальных фотонов Лэмбовский сдвиг снимает 2s - 2p вырождение Согласно теории Дирака уровни 2S и 2P должны бы иметь одинаковые энергии. Однако излучательные поправки, возникающие благодаря взаимодействию между атомным электроном и вакуумом, приводят к увеличению энергии уровня 2S относительно уровня 2P на 1057 МГц.

• 
  Слайд 15
  

  Резонансная флуоресценция Двухуровневый атом возбуждается непрерывным резонансным лазерным полем. Измеряются спектральные и квантовые статистические свойства флуоресцентного света, испущенного атомом Лазерная генерация система: t13 0, t23 0, t120 |1 |2 |3 |1 |2 |3 Инверсная заселенность в атоме типа

• 
  Слайд 16
  

  Атом в квантовом резонаторе Захватим фотоны как дискретные моды полости И поместим в резонатор атом Jaynes-Cummings Гамильтониан квантованное поле 2-х уровневая система атом-фотон взаимод. κ– затухание поля в полости - релаксация атомных состояний g - частота Раби осцилляций сильная связь: g> k , 

• 
  Слайд 17
  

  5 mm DC + 6 GHz in out Blais, Huang, Wallraff, SMG & RS, PRA 2004 Искусственный атом - КУБИТ в квантованном электромагнитном поле.

• 
  Слайд 18
  

  1 m Isceikx-it Wave scattering by an atom: elastic and inelastic MW scattering by a macroscopic quantum scatterer (1010 Al atoms)

• 
  Слайд 19
  

  Weakcontinuousmonitoringofafluxqubitusingcoplanarwaveguideresonator Phys. Rev. B 81, 172505 (2010) G.Oelsner,S.H.W.vanderPloeg,P.Macha,U.Hubner,D.Born, S. Anders, E. Il’ichev, H.-G. Meyer, M.Grajcar, S.Wunschand, M.Siegel, A.N.Omelyanchouk, O.Astafiev Westudyafluxqubitinacoplanarwaveguideresonatorbymeasuringtransmissionthroughthesystem.In oursystemwiththefluxqubitdecoupledgalvanicallyfromthe resonator, the intermediate coupling regimeIsachieved.Inthisregimedispersivereadoutispossiblewithweakbackactiononthequbit.ThedetailedTheoreticalanalysisandsimulationsgiveagoodagreement withtheexperimentaldataandallowtomakethe qubitcharacterization. Quantumbehaviourofthefluxqubitcoupledtoresonator Fiz.Nizk.Temp, 10, (2010) A.N.Omelyanchouk, S.N.Shevchenko, Ya.S.Greenberg, O.Astafiev,andE.Il’ichev Thedetailedtheoryforthesystemofasuperconductingqubitcoupledtothetransmissionlineresonatorispresented.Wedescribethesystembysolvinganalyticallyandnumericallythemasterequationforthedensitymatrix,whichincludesdissipativeLindbladterm.Wecalculatethetransmissioncoefficient,whichprovidesThewaytoprobethedressedstatesofthequbit.ThetheoreticalresultsarerelatedtotheexperimentwiththeIntermediatecouplingbetweenthequbitandtheresonator,whenthecouplingenergyisofthesameorderasthe qubitrelaxationrate.

• 
  Слайд 20
  

  квантовое поведение джозефсоновского кубита связанного с резонатором теория и эксперимент.

• 
  Слайд 21
  

  Уровни энергии как функция энергетического смещения ε.

• 
  Слайд 22
  
• 
  Слайд 23
  

  Для нахождения аналитического решения ограничим фотонное пространство до N=2 предполагая, что среднее число фотонов в резонаторе рождаемое управляющим полем амплитуды много меньше единицы. Это предположение отвечает условиям эксперимента

• 
  Слайд 24
  

  Зависимость амплитуды прохождения от расстройки по частоте при различных скоростях затухания . При малых скоростях затухания спектр прохождения демонстрирует Раби-расщепленные пики (красная кривая) в соответствии со структурой одетых состояний. Диссипация приводит к размытию резонансных пиков (синяя и зеленая кривые).

• 
  Слайд 25
  
• 
  Слайд 26
  
• 
  Слайд 27
  

  a b

• 
  Слайд 28
  

  квантовый компьютер благодарю за внимание