Как хорошо известно, облучение (накачка) нелинейного кристалла с помощью интенсивного лазерного излучения приводит к генерации фотонов в двух модах (сигнальной и холостой). Кантованное электромагнитное поле в этих модах можно описывать с помощью состояния зависящего от непрерывных переменных, которое является запутанным, если поле накачки находится в когерентном состоянии. Сигнальная и холостая моды остаются населёнными фотонами, даже если накачка становится некогерентной в результате дефазировки в среде, смешивания с тепловым состоянием, в случае отличного от когерентного лазерного источника (суперлюминесцентный диод). Тем не менее некогерентность накачки влияет на запутанность и чистоту состояния фотонов в сигнальной и холостой модах, что важно для применений в квантовой информатике и интерферометрии. В работе C.В. Винцкевича, Д.А. Григорьева и С.Н. Филиппова, легшей в основу доклада, предлагается подход, позволяющий рассчитывать меры чистоты и запутанности фотонов в общем случае некогерентной квантованной накачки, описываемой функцией Глаубера-Сударшана. Продемонстрировано, что мера запутанности фотонов крайне чувствительна к распределению накачки в фазовом пространстве. В качестве примера рассматриваются физические модели излучения накачки, которые могут использоваться на практике: когерентная накачка с шумом, дефазированная накачка, тепловая, модулированная накачка в среде Керра и т.д.

The report is devoted to the formulation of the Wigner functions (WF) method for the description of finite-dimensional quantum systems. It is shown how the Stratonovich - Weyl correspondence rules can be reformulated as the “master algebraic equations” on the spectrum of a self dual Stratonovich-Weyl (SW) kernel of the Wigner - Weyl mapping between the Hilbert space operators and functions on a phase space corresponding to an N-level quantum system. Our generic approach in constructing the SW kernel doesn't use any specific symmetry of quantum mechanical system under consideration. The form of the master equations gives rise to an interesting duality between the space of the states of a quantum mechanical system and the space of SW kernels. Although, the ambiguity of the choice in the SW kernel, dictated by the master equations is going to be analyzed through the detailed description of the corresponding moduli space, the question of a physically motivated fixing of the SW kernel remains an open problem. A general scheme will be exemplified by constructing Wigner functions of a single qubit (N=2), qutrit (N=3) an quatrit (N=4).

Quantum control is actively developed nowadays due to various existing and prospective applications in quantum technologies. For example, in quantum computing it is used for high fidelity gate generation. We study computability of quantum control problems in the real experimental situation when the number of available controls is finite. For this situation we show that quantum control problems are in general not algorithmically solvable. There is no algorithm which could decide if a given quantum problem has optial solution or not. To prove this statement, we develop a technique based on establishing the equivalence between quantum control problems and Diophantine equations, polynomial equations with integer coefficients and integer unknowns. In addition to proving uncomputability, this technique allows to construct quantum control problems belonging to different complexity classes. In particular, an example of the control problem involving a two-mode coherent field is shown to be NP-hard, contradicting a widely held believe that two-body problems are easy.

Квантовые технологии – это быстроразвивающаяся область исследований, которая может привести к революции в сферах обработки информации, сенсорики и коммуникаций. Множество систем квантовой обработки информации, таких как сверхпроводящие кубиты, оптические квантовые вычислительные устройства, полупроводниковые квантовые точки и системы ионов в ловушках могут быть реализованы на чипе. Одной из основных преград развития квантовых устройств на чипе остается несовершенство технологии изготовления. До настоящего времени функционал устройств зачастую ограничен потерями в тонких пленках, из-за неидеальности их структуры, поверхности и границ раздела.

В докладе будет представлен новый подход к формированию монокристаллических пленок металлов с чрезвычайно низкими потерями (SCULL – single crystalline ultralow loss). Изготовленные пленки серебра, золота и алюминия демонстрируют отличную кристаллическую структуру, лучшие среди опубликованных работ пламонные и оптические свойства, а также среднегеометрическую шероховатость поверхности менее 0,5 нм. На пленках серебра, осажденных с использованием SCULL технологии, продемонстрированы наибольшая длина распространения SPP (200 мкм при λ=780 нм) и самый яркий однофотонный источник (скорость излучения более 35 миллионов фотонов в секунду) при комнатной температуре.

Оптомеханические резонаторы, в которых электромагнитное излучение и колебания механического осциллятора связаны пондеромоторным взаимодействием, успешно применяются для решения метрологических задач от силовой микроскопии до детектирования гравитационных волн. Значительный интерес вызывают оптомеханические системы, в которых механический осциллятор представлен диэлектрической частицей, левитирующей в оптической ловушке. Контроль над оптической ловушкой гарантирует высокую механическую добротность гармонических колебаний центра масс частицы и, кроме того, обеспечивает доступ к нелинейному режиму колебаний в искусственно сконструированном потенциале ловушки.

В данной теоретической работе произведен анализ квантово-механического сжатия механических колебаний частицы, левитирующей в квадратичном потенциале, посредством параметрической накачки на суммарной частоте и последующего оптического детектирования. Показано, что сжатие требует детектирования оптической моды, обладающей оптимальным временным профилем. Анализируется также динамика частицы в суперпозиции квадратического и кубического потенциалов. Доказывается, что оптимальное периодическое включение кубического потенциала позволяет достичь существенно негауссовых квантовых состояний частицы, характеризующихся отрицательными значениями функции Вигнера и сжатием нелинейной комбинации квадратурных компонент. Последнее является важным ресурсом для квантовых вычислений, основанных на измерениях (measurement-based quantum computation). Предложенные схемы проанализированы с учетом актуальных условий современного эксперимента.

Известно, что параметры многих электронных устройств улучшаются при понижении температуры. Также известна проблема перегрева электронов в наноэлектронных устройствах, работающих при низких температурах. Однако её решение представляет собой сложную технологическую задачу вследствие недостаточного теплового контакта между электронами и внешним холодным термодинамическим окружением.

В экспериментах, проводимых группой ученых с участием докладчика, напрямую измерялась температура электронов с помощью цепочки туннельных переходов малой площади, оптимизированной для работы ниже 10 мК. Такой датчик температуры является первичным по своему принципу поскольку не требует начальной калибровки.

При погружении термометра в смесь 3He/4He рефрижератора растворения удалось достичь рекордно низкой температуры электронов 3.7 мК. Эту температуру удалось понизить до 1.1 мК, впервые применяя метод ядерного размагничивания на чипе. Продемонстрированный метод охлаждения электронов открывает путь для измерения наноэлектронных устройств при субмилликельвиновых температурах. В докладе будут представлены данные последних экспериментов в Ланкастере.