Bose-Einstein condensation and collective Bogoliubov excitations of microwave photons in superconducting quantum electrodynamics circuits

Immaginate un mondo in cui minuscole particelle di luce, chiamate fotoni, si comportano solitamente come una folla caotica a un concerto: si scontrano tra loro, si disperdono in ogni direzione e si rifiutano di muoversi all'unisono. Nella maggior parte delle situazioni, la luce è l'ultimo dei singoli individui. Ma nel mondo strano e ultra-freddo della fisica quantistica, le cose si fanno strane. Gli scienziati sanno da tempo che se si raffredda un gruppo di certe particelle a sufficienza e le si calma abbastanza, esse possono tutte "marciare allo stesso passo", fondendosi in un'unica, gigantesca onda quantistica. Questo fenomeno è chiamato condensazione di Bose-Einstein (BEC). Pensatelo come un banco di pesci che improvvisamente decide di smettere di nuotare individualmente e invece diventa un unico, gigantesco super-pesce che si muove come un'unica entità. Sebbene questo sia stato osservato in atomi e persino in alcuni tipi di luce intrappolata nel vetro, una grande domanda rimaneva aperta: possiamo far accadere questo con i fotoni a microonde — le onde invisibili che alimentano il nostro Wi-Fi e i nostri telefoni cellulari — all'interno di un minuscolo circuito elettronico? Se ci riuscissimo, apriremmo la porta a un nuovo tipo di tecnologia super-sensibile e a un parco giochi per la costruzione di computer quantistici.

Questo articolo riporta una svolta proprio in questa direzione. I ricercatori hanno costruito un parco giochi elettronico super-raffreddato utilizzando un circuito superconduttore (un circuito che conduce elettricità con resistenza zero) e lo hanno riempito con una rete di dieci minuscoli bit quantistici, noti come qubit di flusso. Hanno bombardato questo sistema con un forte segnale a microonde, agendo come una pompa, per forzare un numero massiccio di fotoni a microonde in un singolo modo. Ciò che hanno scoperto è che questi fotoni non si sono solo accumulati; hanno iniziato a comportarsi come un condensato di Bose-Einstein, uno stato collettivo in cui i fotoni e i qubit danzano insieme come un'unica unità ibrida.

La scoperta più eccitante è cosa succede quando si dà un colpetto a questo "super-pesce" con un secondo segnale più debole. Invece di limitarsi a rimbalzare, il sistema risponde con un tipo specifico di increspatura chiamata "eccitazione di Bogoliubov". Potete immaginarlo come il lancio di un sasso in uno stagno calmo; di solito, si ottiene un semplice schizzo. Ma qui, lo stagno è così speciale che lo schizzo crea un complesso schema d'onda sincronizzato che rivela la struttura nascosta dell'acqua stessa. Il team ha osservato queste increspature chiaramente, insieme a un fenomeno chiamato "bistabilità", dove il sistema agisce come un interruttore della luce che si blocca in due diverse posizioni a seconda di come si gira la manopola. Questo comportamento, che i ricercatori hanno misurato con alta precisione, fornisce la prima prova sperimentale che i fotoni a microonde possono formare un condensato e sostenere queste eccitazioni collettive su un chip superconduttore.

Per capire come funziona, immaginate il dispositivo come uno strumento musicale ad alta tecnologia. Consiste in due parti principali: un "risonatore T" e un "risonatore R", che sono come due diapason fatti di metallo superconduttore. Tra di loro si trova la stella dello spettacolo: una rete di dieci qubit di flusso superconduttori. Questi qubit sono minuscoli anelli di filo interrotti da giunzioni Josephson (barriere speciali che permettono il tunneling quantistico), che agiscono come le corde di una chitarra. I ricercatori hanno collegato il "risonatore R" a un generatore di microonde per immettere energia e il "risonatore T" a un rilevatore per ascoltare l'output.

Quando hanno pompato il sistema con un forte tono a microonde a una frequenza di circa 7,7 GHz, è successo qualcosa di drammatico. Mentre aumentavano la potenza della pompa, la frequenza del risonatore non si è solo spostata leggermente; è improvvisamente saltata a una frequenza più bassa. Questo "red shift" (spostamento verso il rosso) è avvenuto bruscamente una volta che la potenza ha superato una specifica soglia. Ancora più affascinante, il sistema ha mostrato "isteresi". Se si aumentava lentamente la potenza, il sistema saltava a un nuovo stato in un certo punto, ma se si diminuiva la potenza, non tornava indietro fino a quando non si raggiungeva un livello molto più basso. È come una porta che richiede una spinta forte per aprirsi, ma scivola chiudendosi facilmente; lo stato della porta dipende da quale verso si sta spingendo.

Il team ha anche notato un segnale "fantasma". Quando hanno esaminato attentamente i dati di trasmissione, hanno visto un secondo calo nel segnale, un debole eco a una frequenza diversa. Questo è ciò che chiamano "modo idler", un'onda partner che appare insieme al segnale principale, proprio come un'immagine speculare appare quando ci si guarda in uno specchio. La presenza di questo modo idler è un'impronta digitale chiave delle eccitazioni di Bogoliubov, confermando che i fotoni interagiscono tra loro in modo collettivo e meccanico-quantistico, piuttosto che agire come particelle indipendenti.

Per spiegare questi comportamenti selvaggi, i ricercatori hanno sviluppato un modello matematico basato sull'equazione di Gross-Pitaevskii, una famosa formula solitamente usata per descrivere superfluidi e condensati atomici. Tuttavia, hanno dovuto modificarla significativamente. Nel loro sistema, l'"interazione" tra i fotoni non è diretta; invece, i fotoli parlano tra loro attraverso i qubit. Man mano che il numero di fotoni aumenta, essi cambiano i livelli di energia dei qubit (un effetto noto come effetto Stark AC), il che a sua volta cambia il modo in cui i fotoni si comportano. Questo crea un ciclo di feedback che porta al comportamento collettivo. Il loro modello, che includeva parametri come una forza di accoppiamento di $2\pi \times 25$ MHz e uno spostamento di frequenza di $2\pi \times 3,4$ MHz, ha corrisponduto ai loro dati sperimentali quasi perfettamente.

I ricercatori hanno anche testato cosa sarebbe successo se avessero applicato un campo magnetico. Quando hanno applicato un campo magnetico statico di 0,489 Gauss, la soglia di potenza necessaria per innescare il salto è cambiata. Ciò ha confermato che i qubit, che sono sensibili ai campi magnetici, erano effettivamente i protagonisti di questa danza. Il campo magnetico ha spostato le frequenze dei qubit, alterando l'energia necessaria per creare lo stato collettivo.

In sintesi, questo articolo dimostra che, inserendo una rete di qubit superconduttori in un risonatore a microonde, gli scienziati possono creare uno stato in cui i fotoni a microonde si comportano come un condensato di Bose-Einstein. Questa non è solo una curiosità teorica; è uno stato della materia tangibile e misurabile in cui luce e materia si fondono in un tutto collettivo. L'osservazione delle eccitazioni di Bogoliubov e del comportamento di commutazione isteretica suggerisce che questi sistemi potrebbero essere utilizzati come rilevatori ultra-sensibili o come blocchi costruttivi per l'elaborazione dell'informazione quantistica. I ricercatori propongono che questa piattaforma offra un nuovo modo per progettare sistemi fotonici a molti corpi, portando potenzialmente a dispositivi in grado di rilevare i sussurri più deboli del mondo quantistico o di elaborare informazioni in modi che stiamo solo iniziando a immaginare. Sebbene l'articolo si concentri sulla fisica del condensato in sé, esso getta le basi per tecnologie future che potrebbero sfruttare questi stati quantistici collettivi per applicazioni nel mondo reale.