RF- ja mikroaaltosignaalien kvanttikäsittelyä

TU Delftin, ETH Zürichin ja Tübingenin yliopiston fyysikot ovat rakentaneet kvanttilämpöpumpun, joka on valmistettu valohiukkasista. Tämä laite tuo tutkijat lähemmäksi radiotaajuisten signaalien mittaamisen kvanttirajaa, mikä voi olla hyödyllistä esimerkiksi pimeän aineen metsästyksessä.

Suurempi kuva

Viime vuonna TU Delftin tutkijat saivat jäähdytettyä radioaaltosignaaleja aina kvanttiperustaiseen tilaan asti. Aiemmassa työssään tutkijat käyttivät laitettaan kylmäkylpynä kuumille radiotaajuisille fotoneille mutta nyt he ovat onnistuneet muuttamaan sen samanaikaisesti vahvistimeksi. Sisäisen vahvistimen ansiosta laite on herkempi radiotaajuisille signaaleille.

Työssä käytetty fotonipainepiiri on valmistettu piisirulle suprajohtavista keloista ja kondensaattoreista, jotka on jäähdytetty lähelle absoluuttista nollan lämpötilaa. Siitä huolimatta joillekin piirin fotoneille tämä lämpötila on erittäin kuuma ja ne virittyvät lämpöenergialla.

Fotonipaineen avulla tutkijat voivat yhdistää virittyneet fotonit korkeataajuisiin kylmiin fotoneihin, mikä aiemmissa kokeissa antoi heille mahdollisuuden jäähdyttää kuumat fotonit kvanttipohjaiseen tilaan. Tähän tutkijat lisäävät nyt uuden käänteen: lähettämällä ylimääräisen signaalin kylmään piiriin, he pystyvät luomaan liikevoiman, joka vahvistaa kylmiä fotoneita ja lämmittää niitä. Samaan aikaan ylimääräinen signaali "pumppaa" fotoneja ensisijaisesti yhteen suuntaan kahden piirin välillä.

Saadessaan fotoneja siirtymään yhteen suuntaan voimakkaammin kuin toiseen, tutkijat pystyvät jäähdyttämään fotonit piirin yhdessä osassa kylmemmiksi kuin toisessa osassa, mikä luo lämpöpumpun kvanttiversion suprajohtavassa piirissä oleville fotoneille.

Tieteellisesti kyseessä on fotonipainekytkentä suprajohtavan RF-piirin ja vahvasti ohjatun suprajohtavan Kerr-ontelon välillä, jota käytetään parametrisena vahvistimena.

Tutkijoiden mukaan erilaisten vielä havaitsemattomien fysikaalisten ilmiöiden lisäksi ohjattu Kerr-ontelo voi olla hyödyllinen heikkojen RF-signaalien tunnistamisessa, mikroaaltojen signaalinkäsittelyssä ja Kerr-opomekaanisissa järjestelmissä.

Lisäksi tutkijat ovat osoittaneet löydön mahdollistavan erilaisia mielenkiintoisia mikroaaltofotonien manipulointitekniikoita, kuten cat-tilan generointia ja stabilointia, bosonikoodin kvantti-informaation käsittelyä, ei-vastavuoroista fotonien kuljetusta tai suprajohtavien kubittien toteuttamista.

Joidenkin näistä mahdollisuuksista integrointi fotonipaine- tai Kerr-optomekaanisiin alustoihin saattaa mahdollistaa RF-piirien ja mekaanisten oskillaattorien monimutkaisen kvanttiohjauksen.

Aiheesta aiemmin: