Науковці досягли квантової межі

Науковці досягли квантової межі за допомогою наноприладу

Якщо ви намагаєтеся налаштуватися на радіостанцію, передавач якої знаходиться дуже далеко, то сигнал цієї радіостанції, як правило, спотворюється шумами. Шум виникає в результаті роботи електронних схем, які намагаються максимально посилити слабкий сигнал для того, щоб мати можливість детектувати несучу їм звукову інформацію. Відповідно до законів фізики і квантової механіки, будь-яке посилення сигналу додає в нього деякий рівень шумів, і на початку 1980-х років американський фізик Карлтон Кейвс (Carlton Caves) теоретично довів, через принципу невизначеності Гейзенберга при максимальному посиленні до сигналу додаються квантові шуми, складові принаймні половину його енергетичного спектра. Цей вид шумів не грає особливої ролі в радиосигналах, використовуваних в нашому повсякденному житті. Але він має великий вплив на роботу вимірювальних пристроїв, що використовуються в різних наукових експериментах і дослідженнях. Саме тому вчені вже досить давно намагалися розробити малошумні підсилювачі, параметри яких наближаються до теоретичної межі Карлтона Кейвса.

Успіху в справі створення малошумного підсилювача вдалося домогтися дослідникам з університету Аальто і університету Йювяскюля, Фінляндія. Вони розробили новий метод високоточного вимірювання параметрів мікрохвильових сигналів, який може бути використаний в технологіях обробки квантової інформації, для ефективного перетворення сигналів різного діапазону, починаючи від мікрохвильового і закінчуючи оптичним, і багато чого іншого.

“Квантовий межа підсилювача є важливим параметром при вимірюванні слабких квантових сигналів, використовуваних в технологіях квантових обчислень або в експериментах з досліджень квантової механіки” – розповідає професор Міка Сілланпаа (Professor Mika Sillanpaa), – “Адже паразитний шум є чинником, що обмежує величину сигналу, який може бути визначений за прийнятною похибкою “.

До останнього часу підсилювачем, параметри якого були максимально наближені до квантовому межі, був повністю електронний підсилювач на надпровідних тунельних переходах, створений ще в 1980-х роках, але ця технологія має цілу низку істотних недоліків. Новий підсилювач побудований на базі наномеханічного резонатора, вібруючої мембрани і двома надпровідними супутніми квантовими схемами.

Вимірювання параметрів сигналів, вироблені за допомогою реєстрації змін частоти коливань наномеханічного резонатора, мають найвищу точність на сьогоднішній день. При цьому, даний пристрій дозволяє виконати перетворення частоти квантового сигналу, одночасно посилюючи його з досить великим коефіцієнтом.

“Такий пристрій дозволить передавати інформацію від надпровідних квантових бітів, кубітів, так званим” підвішеним кубітами “, виконуючи перетворення сигналу з мікрохвильового діапазону в оптичний і навпаки” – розповідає професор Теро Хейккі (Tero Heikkila), – “Так само наш метод посилення і вимірювання сигналів знайде застосування в області квантового шифрування даних і в багатьох інших областях, де потрібна обробка надзвичайно слабких сигналів “.