Физики из университетов Аалто и Ювяскюля (Финляндия) разработали квантовый усилитель микроволнового излучения, способный функционировать с уровнем шума, близким к квантовому пределу. Коэффициент усиления прибора достигает 41 децибелла (12,5 тысяч раз), при этом добавка квантового шума превышала квантовый предел (полкванта) лишь на 4 кванта. По словам ученых, в эксперименте с усилителями-«нанобарабанами» удалось достигнуть рекордно точных измерений микроволнового излучения. Исследование опубликовано в журнале Physical Review X (препринт), кратко о нем сообщает пресс-релиз Университета Аалто.
Квантовые усилители представляют собой устройства, способные регистрировать и усиливать интенсивность некоторого сигнала с помощью процессов, описываемых в рамках квантовой механики. Например, к квантовым усилителям относятся резонаторы в лазерах. Источником шума в таких устройствах является неопределенность Гейзенберга в определении количества частиц и их фазы. В результате к усиленному сигналу добавляется по меньшей мере половина кванта шума. Такой уровень шума незаметен в повседневных задачах, но может помешать работе устройств для квантовой криптографии. Поэтому физики пытаются создать усилители с как можно меньшим уровнем шума.
В новой работе ученые предложили устройство другого типа, лишенное ограничений на интенсивность усиливаемого сигнала — оптомеханический «нанобарабан». В его основе лежит алюминиевый «барабан» с резонансной частотой колебаний в микроволновом диапазоне. Рядом с ним находятся два резонатора, настроенные на различные частоты. «Барабан» играет роль конденсатора с переменной электрической емкостью. Она увеличивается и уменьшается в разных фазах колебания. «Барабае» связан с резонаторами через электрические контакты и одновременно влияет на их состояние.
По словам физиков, новое устройство может стать универсальным «хабом», принимающим и передающим сигналы на различных частотах. Кроме того, если перенести рабочую частоту усилителя в оптический диапазон, то он сможет приблизиться к квантовому пределу шума усиления уже при комнатной температуре, в то время как эксперименты в работе проводились при семи милликельвинах.
Ранее мы писали о необычном эксперименте, использующем квантовые усилители. Физики из университетов Инсбрука, Женевы и Базеля предложили эксперимент, в котором можно будет наблюдать квантовую запутанность невооруженным взглядом. В эксперименте запутанность между парами одиночных фотонов можно было наблюдать благодаря усилителям, работающим на эффекте квантовой интерференции.
Владимир Королёв
