Ученые показали, как искусственные атомы ведут себя под воздействием света

Резонансная флуоресценция — квантово-оптическое явление, при котором атом (как настоящий, так и искусственный) поглощает свет и переизлучает его на другой частоте. Спектр такого излучения характеризует микроскопическую структуру уровней энергии исследуемых атомов, а также содержит информацию о взаимодействии излученных фотонов. Эта информация критически важна для точной спектроскопии, контроля окружения квантовых систем и разработки квантовых сенсоров.

То, как сильно и на каких частотах излучает атом, обычно восстанавливается с помощью автокорреляционных функций. Они показывают, насколько сигнал похож сам на себя в разные моменты времени. Этот способ удобен и хорошо работает для простых двухуровневых систем.

Однако при работе с трехуровневыми системами с уровнями 0, 1, 2, где переходы происходят последовательно (0↔1, 1↔2), появляются дополнительные корреляции между излучениями с разных уровней. Например, излучение с перехода 0↔1 коррелирует с излучением перехода 1↔2, что называют взаимными или кросс-корреляциями. До сих пор они были недостаточно изучены, и именно на них обратили внимание авторы исследования.

Для расчетов физики из лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ использовали трехуровневые системы — сверхпроводниковые искусственные атомы. Это микросхемы из сверхпроводящих материалов, которые при сверхнизких температурах ведут себя как искусственные атомы с энергетическими уровнями. Они широко применяются в сверхпроводниковых квантовых процессорах, сенсорах и микроволновой квантовой оптике. Статья опубликована в журнале «Письма в ЖЭТФ».

Авторы использовали модель такого искусственного атома и рассмотрели случай, когда он облучается сразу двумя монохроматическими излучениями с разными частотами — бихроматической накачкой. Такое воздействие вызывает отклик системы, который можно экспериментально проверить в спектрах резонансной флуоресценции. Этот спектр для трехуровневой системы и рассчитали авторы.

Схема трехуровневой системы при бихроматическом возбуждении. (б) Структура квазистационарных энергетических уровней. Цветные линии отмечают переходы с одинаковыми параметрами / © журнал «Письма в ЖЭТФ»

В работе ученые уделили особое внимание получению кросс-корреляционных функций излучения. Они характеризуют влияние излученных атомом волн друг на друга. Простыми словами, эти функции показывают способность двух разных «источников» фотонов, излученных из одного атома, создавать четкую интерференционную картину на пробном экране. Авторы рассчитали их вклад в спектр флуоресценции.

«Наша группа ранее показала, что спектр флуоресценции трехуровневой системы с последовательной релаксацией уровней под действием внешнего резонансного бигармонического возмущения представляет собой пентетную структуру — пять эквидистантных линий. Удивительно, что в кросс-корреляционном спектре мы получили не только пентетную структуру, но и триплетную (три центральные линии), схожую с известным спектром Моллоу—Апанасевича — классическим триплетом в резонансной флуоресценции двухуровневой системы», — рассказал Сергей Гунин, научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ.

Расчеты показали, что фотоны, испускаемые с разных уровней одного искусственного атома, когерентны друг с другом. Даже при разных частотах переходов появляется интерференция и биения. Авторы добавляют, что сверхпроводящие атомы создают огромное преимущество в измерении корреляции сигналов атома, что открывает возможность для дальнейших экспериментов по наблюдению фотонной статистики.

«В этой работе мы акцентировали внимание на изучении явления флуоресценции с использованием сверхпроводниковых искусственных атомов — кубитов. Эта твердотельная платформа позволяет детектировать не только корреляции в излучении, но и напрямую разделять во времени излученное атомом электромагнитное поле, а также статистику фотонов. Поэтому все расчеты, что были произведены в статье, возможно напрямую переложить на наблюдения в реальном эксперименте», — объяснил Олег Астафьев, заведующий лабораторией искусственных квантовых систем МФТИ.

Понимание роли корреляций в многоуровневых системах, особенно на платформах сверхпроводниковых искусственных атомов, позволит разрабатывать более чувствительные квантовые детекторы и сенсоры.

«В настоящий момент в научной литературе экспериментальное изучение взаимных корреляций представлено не в полной мере, поэтому в будущем мы рассчитываем провести экспериментальные исследования. Это позволит верифицировать результаты данной работы, а также исследовать излучение более сложных систем атомов», — поделился Сергей Гунин.