Усилитель, который слышит даже шёпот квантов экспресс
Шёпот в шумной комнате почти неразличим. Обычный усилитель добавит свой шум и заглушит слабый звук. Квантовый усилитель работает иначе: он усиливает сигнал, почти не добавляя лишнего шума, как идеальное ухо. Но даже у такого уха есть свои проблемы.
Учёные построили усилитель из сверхпроводящей петли с массивом джозефсоновских контактов — крошечных элементов, которые работают при сверхнизких температурах. Этот усилитель усиливает микроволновые сигналы в 20 раз (до 44 раз) при полосе частот около 50 МГц. Но когда сигнал проходит по проводам, даже слабые отражения от неидеальных соединений создают помехи. Эти отражения действуют как эхо в горах: звук возвращается и искажает исходный сигнал.
Авторы работы разработали математическую модель, которая точно описывает, как отражения влияют на усиление. Они показали, что сложные искажения спектра можно объяснить интерференцией, подобной той, что возникает в оптических резонаторах. Теперь можно отделить собственные свойства усилителя от влияния внешней среды и точно настроить его работу.
Такой подход помогает создавать надёжные квантовые усилители для квантовых компьютеров и детекторов. Ведь в квантовых технологиях каждый лишний шум — это потеря информации. А здесь шум почти на пределе, допускаемом законами физики.
Джозефсоновские контакты — это сверхпроводящие туннельные переходы, которые работают как нелинейные катушки индуктивности. Они позволяют усиливать сигналы без резистивного шума, присущего обычным транзисторам.
В сериале «Пространство» квантовые усилители используются для связи на сверхдальних расстояниях, где каждый фотон на счету.