Исследование кросс-корреляций в излучении искусственных атомов

Исследователи из МФТИ выполнили расчеты спектров резонансной флуоресценции для трехуровневых искусственных атомов. Это квантово-оптическое явление, при котором атом поглощает и переизлучает свет, причем спектр такого излучения содержит информацию о микроскопической структуре уровней энергии и взаимодействии испущенных фотонов. Работа актуальна для квантовой оптики и способствует прогрессу в областях от точной спектроскопии до квантовых вычислений.

В качестве модели ученые использовали сверхпроводниковые искусственные атомы — микросхемы из сверхпроводящих материалов, которые при сверхнизких температурах ведут себя как атомы с дискретными энергетическими уровнями. Такие системы широко применяются в сверхпроводниковых квантовых процессорах, сенсорах и микроволновой квантовой оптике. В исследовании рассматривался случай бихроматической накачки, когда атом облучается двумя монохроматическими излучениями с разными частотами.

Анализ кросс-корреляционных функций

Особое внимание в работе уделено получению кросс-корреляционных функций излучения. Эти функции характеризуют влияние излученных атомом волн друг на друга, показывая, как два разных «источника» фотонов, испущенных из одного атома, могут создавать интерференционную картину. Для трехуровневых систем с последовательными переходами (например, между уровнями 0, 1 и 2) возникают дополнительные корреляции между излучениями с разных уровней, такие как корреляция между излучением переходов 0↔1 и 1↔2.

Расчеты показали, что фотоны, испускаемые с разных уровней одного искусственного атома, когерентны друг с другом. Даже при разных частотах переходов наблюдается интерференция и биения. Как отметил научный сотрудник лаборатории Сергей Гунин, в кросс-корреляционном спектре была получена не только пентетная структура (пять эквидистантных линий), но и триплетная, схожая с классическим спектром Моллоу—Апанасевича для двухуровневых систем.

Перспективы для квантовых технологий

Понимание роли корреляций в многоуровневых системах, особенно на платформе сверхпроводниковых искусственных атомов, может привести к разработке более чувствительных квантовых детекторов и сенсоров. Как объяснил заведующий лабораторией Олег Астафьев, твердотельная платформа искусственных атомов позволяет детектировать не только корреляции в излучении, но и напрямую разделять во времени излученное электромагнитное поле, а также изучать статистику фотонов. Это означает, что все теоретические расчеты, выполненные в статье, могут быть непосредственно проверены в реальном эксперименте.

В настоящее время экспериментальное изучение взаимных корреляций представлено в научной литературе не в полной мере. Как поделился Сергей Гунин, в будущем планируется проведение экспериментальных исследований для верификации результатов данной работы и изучения излучения более сложных систем атомов. Это откроет возможности для дальнейших экспериментов по наблюдению фотонной статистики.

Статья с результатами исследования опубликована в журнале «Письма в ЖЭТФ». Работа вносит вклад в фундаментальное понимание квантово-оптических процессов и подчеркивает потенциал сверхпроводниковых искусственных атомов как платформы для продвижения квантовых технологий.