Отдел сверхпроводящих и мезоскопических структур

Перейти к контенту

Главное меню:

Исследования

Динамика мезоскопических систем
Вступление
Мы изучаем квантовые динамические явления в мезоскопических системах, которые включают в себя сверхпроводящие контуры, низкоразмерные полупроводниковые структуры, наномеханические резонаторы. При этом мы используем и развиваем инструментарий современной теории твердого тела, чтобы заострить наше понимание квантовых явлений, актуальных для измерения и контроля индивидуальных квантовых систем. Мы не только изучаем теоретически фундаментальные явления, такие как осцилляции Раби и переходы Ландау-Зинера-Штюкельберга-Майораны (ЛЗШМ), но и соотносим наши результаты с экспериментальными исследованиями. Недавние результаты описаны кратко ниже, а полный лист статей можно найти в разделе Публикации, а также в GoogleScholar.
Lecture Notes: Mesoscopic Physics meets Quantum Engineering
    Квантовая механика изначально создавалась для описания объектов на атомных и субатомных масштабах. Однако в последние десятилетия квантовая механика была пересмотрена и её использование расширено на изучение и описание разных макроскопических состояний. Это достигается с помощью моделирования основными объектами мезоскопической физики, такими как сверхпроводящие квантовые контуры и низкоразмерные структуры, полученные из двумерного электронного газа. В последние годы эти устройства стимулируют изучение фундаментальных систем, таких как двухуровневая квантовая система или кубит, как объект для манипуляций и приложений. Эта книга знакомит с квантовыми вычислениями и теорией квантовой информации на основе квантовой физики, теории твёрдого тела и теории вычислений. Рассматривается эта важная область и изучено, как она неразрывно связана с основными понятиями физики, такими как суперпозиция, перепутанность и квантовая динамика. Дальше рассматриваются сверхпроводящие и мезоскопические системы, а также ряд явлений, где важными являются квантование спектра, интерференция и дискретность заряда.
    Эта книга базируется на лекционном курсе, который предназначен для аспирантов и научных сотрудников, которые знакомы с квантовой механикой и статистической физикой. В частности, она была разработана вместе с лекционным курсом, который автор читает студентам 5 курса физико-технического факультета Харьковского национального университета имени В. Н. Каразина.
Квантовая точка, модулируемая по амплитуде и по фазе
Транзисторы из кремния могут предоставлять основу для квантовых точек. Мы рассматриваем электронные спиновые состояния примесей в кремниевом туннельном полевом транзисторе. Одно-спиновые энергетические уровни могут быть модулированы радиочастотными волнами. Наши теоретические результаты, вместе с экспериментальными, демонстрируют потенциал интерферометрии спиновых кубитов, которые реализованы в кремниевых устройствах и работают при относительно высоких температурах.
Термометрия с системой «кубит-резонатор»
Связанные кубит и резонатор представляют собой базовую систему в квантовой электродинамике контуров. Мы изучали систему «кубит-резонатор» при наличии возбуждающего сигнала и ненулевой температуры. Такое рассмотрение может быть важно для квантовой инженерии, предоставляя описание методики термометрии и актуальной квантовой мем-емкости.
 
Моделирование квантовой динамики механическим резонатором
Квантовую систему можно возбуждать синусоидальными, прямоугольными или шумовым сигналами. Эти режимы в литературе называют соответственно интерферометрия Ландау-Зинера-Штюкельберга-Майораны, модулирование перещёлкиванием и усреднение движением. Мы показали, что эти эффекты также присущи динамике классических двухуровневых систем. Кроме фундаментального интереса  к таким динамическим явлениям, связывающих классическую и квантовую физику, мы надеемся, что они привлекательны для классического аналогового моделирования квантовых систем.
Динамика графеновых мембран
Если сжать мембрану, то она выгибается, образуя два вырожденных состояния. Эти состояния полезны для реализации мем-емкости. Мы изучали в рамках теории упругости динамическое поведение таких мембран под действием поперечного давления. Выражения для сил переключения, полученные аналитически, хорошо согласуются с вычислениями в рамках теорий молекулярной динамики и функционала плотности. Мы показали, что для описания перещелкивания, достаточно лишь двух гармоник.
Мем-емкости и мем-индуктивности на основе кубитов
Сегодня есть большой интерес к изучению элементов электрических контуров, у которых есть память. А именно, это – мемристивные, мемемкостные и меминдуктивные контурные элементы, которые являются обобщениями хорошо известных сопротивлений, емкостей и индуктивностей. Мы предложили и изучили квантовые реализации элементов с памятью, основанных на твердотельных кубитах. Квантовые свойства систем на основе кубитов делают их отклик уникальным, привнося таким образом новую функциональность в инструментарий устройств с памятью.   
Одетые состояния
Резонатор на линии передач при низких температурах ведет себя как квантовый осциллятор; его влияние на связанный с ним кубит может быть описано процедурой, известной как одевание состояний кубита. Мы развили теорию для случая резонатора с двойным возбуждением и описали ряд эффектов, наблюденных экспериментаторами из ИФТ, г.Йена. Было показано, что такая система «кубит-резонатор» может быть использована для усиления или ослабления слабых сигналов.   
Квантовая индуктивность и емкость
Если квантовая система включена в состав электрического контура, ее нужно описывать в терминах вероятности заселенности энергетических уровней. Тогда система характеризуется соответствующими параметрическими индуктивностями, емкостями и сопротивлениями. Из-за их зависимости от вероятностей, к ним в этом случае применяют определение «квантовые». Мы использовали такую теорию для описания искусственных двух-уровневых систем.   См. также освещение этой работы в печати.  
Интерферометрия ЛЗШМ
Давно известно, что не только неадиабатические переходы ЛЗШМ происходят между дискретными уровнями энергии, но еще и важен набор фазы во время эволюции. Эта фаза, известная как фаза Штюкельберга, может приводить как к конструктивной, так и деструктивной интерференции. Мы обобщили теорию, чтобы описать недавно наблюденные интерференционные картины в различных микроскопических и мезоскопических системах . Такая интерферометрия важна, в частности, для квантовых точек и для сверхпроводящих структур в теории квантовой электродинамики контуров .
Квантовое обратное действие с задержкой отклика
Мы развили полуклассическую теорию для описания системы, которая состоит из классического резонатора, связанного с квантовой подсистемой. Было рассмотрено влияние релаксации в квантовой подсистеме на осцилляции в резонаторе. Показано, что это приводит к существенному увеличению или уменьшению добротности резонатора.     Мы полагаем, что такой теоретический подход полезен для описания экспериментов, таких как в этой работе: .
Многофотонные переходы
Когда кратная частота возбуждения близка к энергетической щели в квантовой системе, это может привести к возбуждению в системе путем многофотонных переходов. Мы изучали такие возбуждения для различных постановок задачи, включая одно- и двух-кубитные системы с прямыми и лестничными переходами. И хотя реалистичные системы довольно сложны – кроме квантовой подсистемы они содержат электронику для возбуждения и считывания – нам удалось количественно описать различные возбуждаемые диссипативные системы на основе кубитов. Эти исследования привели к нескольким оригинальным статьям, обзорной статье и монографии.  

 
Назад к содержимому | Назад к главному меню