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

Stel je een wereld voor waarin minuscule lichtdeeltjes, fotonen genoemd, zich gewoonlijk gedragen als een chaotische menigte bij een concert—ze botsen tegen elkaar, verstrooien in alle richtingen en weigeren in unisono te bewegen. In de meeste situaties is licht de ultieme individualist. Maar in de vreemde, ultra-koude wereld van de kwantumfysica worden de dingen raar. Wetenschappers weten al lang dat als je een groep bepaalde deeltjes koud genoeg en kalm genoeg maakt, ze allemaal "in pas kunnen marcheren", waarbij ze samensmelten tot één enkele, reusachtige kwantumgolf. Dit fenomeen wordt Bose-Einsteincondensatie (BEC) genoemd. Denk hierbij aan een school vissen die plotseling besluit om niet meer individueel te zwemmen, maar in plaats daarvan één gigantische, glinsterende supervis wordt die als één enkel entiteit beweegt. Hoewel dit is waargenomen bij atomen en zelfs bij bepaalde soorten licht die in glas zijn gevangen, bleef er een grote vraag bestaan: Kunnen we dit laten gebeuren met microgolffotonen—de onzichtbare golven die onze wifi en mobiele telefoons aandrijven—binnen een minuscuul elektronisch circuit? Als we dat zouden kunnen, zou het de deur openen naar een nieuw soort supergevoelige technologie en een speeltuin voor het bouwen van kwantumcomputers.

Dit artikel rapporteert een doorbraak in precies die richting. De onderzoekers bouwden een supergekoelde elektronische speeltuin met behulp van een supergeleidend circuit (een circuit dat elektriciteit geleidt met nul weerstand) en vulden dit met een netwerk van tien kleine kwantumbits, bekend als flux-qubits. Ze bestraalden dit systeem met een sterk microgolfsignaal, dat fungeert als een pomp, om een enorme hoeveelheid microgolffotonen in een enkele modus te dwingen. Wat ze ontdekten was dat deze fotonen niet alleen opstapelden; ze begonnen zich te gedragen als een Bose-Einsteincondensaat, een collectieve staat waarin de fotonen en de qubits samen dansen als een enkele hybride eenheid.

De meest opwindende ontdekking is wat er gebeurt wanneer ze deze "supervis" prikkelen met een tweede, zwakker signaal. In plaats van simpelweg terug te stuiteren, reageert het systeem met een specifiek type rimpeling genaamd een "Bogoliubov-excitatie". Je kunt je dit voorstellen als het gooien van een steentje in een kalme vijver; meestal krijg je een simpele spat. Maar hier is de vijver zo bijzonder dat de spat een complexe, gesynchroniseerde golfpatroon creëert die de verborgen structuur van het water zelf onthult. Het team observeerde deze rimpelingen duidelijk, samen met een fenomeen genaamd "bistabiliteit", waarbij het systeem werkt als een lichtschakelaar die in twee verschillende posities kan blijven hangen, afhankelijk van hoe je de knop draait. Dit gedrag, dat de onderzoekers met hoge precisie hebben gemeten, levert het eerste experimentele bewijs dat microgolffotonen een condensaat kunnen vormen en deze collectieve excitaties kunnen ondersteunen op een supergeleidende chip.

Om te begrijken hoe dit werkt, stel je het apparaat voor als een hoogtechnologisch muziekinstrument. Het bestaat uit twee hoofdonderdelen: een "T-resonator" en een "R-resonator", die als twee stemvorken gemaakt van supergeleidend metaal fungeren. Tussen hen in bevindt zich de ster van de show: een netwerk van tien supergeleidende flux-qubits. Deze qubits zijn minuscule lussen van draad onderbroken door Josephson-juncties (speciale barrières die kwantumtunneling mogelijk maken), die fungeren als de snaren van een gitaar. De onderzoekers verbonden de "R-resonator" met een microgolfgenerator om energie in te pompen, en de "T-resonator" met een detector om de output te beluisteren.

Toen ze het systeem pompten met een sterke microgolftoon op een frequentie van ongeveer 7,7 GHz, gebeurde er iets dramatisch. Terwijl ze het vermogen van de pomp verhoogden, verschoof de frequentie van de resonator niet zomaar een beetje; de frequentie sprong plotseling naar een lagere waarde. Deze "roodverschuiving" gebeurde abrupt zodra het vermogen een specifieke drempel overschreed. Nog fascinerender was dat het systeem "hysteresis" vertoonde. Als je het vermogen langzaam opdraaide, sprong het systeem op een bepaald punt naar een nieuwe staat, maar als je het vermogen weer omlaag draaide, sprong het pas terug toen je een veel lager niveau bereikte. Het is als een deur die een harde duw nodig heeft om te openen, maar gemakkelijk dichtglijdt; de staat van de deur hangt af van de kant waar je tegen duwt.

Het team merkte ook een "geest"-signaal op. Wanneer ze nauwkeurig naar de transmissiedata keken, zagen ze een secundaire dip in het signaal, een zwakke echo op een andere frequentie. Dit is wat zij een "idler mode" noemen, een partnergolf die naast het hoofdsignaal verschijnt, vergelijkbaar met hoe een spiegelbeeld verschijnt wanneer je in een spiegel kijkt. De aanwezigheid van deze idler mode is een belangrijke vingerafdruk van de Bogoliubov-excitaties, wat bevestigt dat de fotonen met elkaar interageren op een collectieve, kwantummechanische manier, in plaats van slechts als onafhankelijke deeltjes te fungeren.

Om deze wilde gedragingen te verklaren, ontwikkelden de onderzoekers een wiskundig model gebaseerd op de Gross-Pitaevskii-vergelijking, een beroemde formule die gewoonlijk wordt gebruikt om superfluïden en atomaire condensaten te beschrijven. Ze moesten deze echter aanzienlijk aanpassen. In hun systeem is de "interactie" tussen fotonen niet direct; in plaats daarvan communiceren de fotonen met elkaar via de qubits. Naarmate het aantal fotonen toeneemt, veranderen ze de energieniveaus van de qubits (een effect dat bekend staat als het AC-Stark-effect), wat op zijn beurt de manier waarop de fotonen zich gedragen verandert. Dit creëert een feedbackloop die leidt tot het collectieve gedrag. Hun model, dat parameters bevatte zoals een koppelingssterkte van $2\pi \times 25$ MHz en een frequentieverschuiving van $2\pi \times 3,4$ MHz, kwam bijna perfect overeen met hun experimentele gegevens.

De onderzoekers testten ook wat er zou gebeuren als ze een magnetisch veld zouden toepassen. Toen ze een statisch magnetisch veld van 0,489 Gauss toepasten, veranderde het vermogen dat nodig was om de sprong te triggeren. Dit bevestigde dat de qubits, die gevoelig zijn voor magnetische velden, inderdaad de hoofdrolspelers in deze dans waren. Het magnetische veld verschoof de qubitfrequenties, wat de energie veranderde die nodig is om de collectieve staat te creëren.

Samenvattend demonstreert dit artikel dat door een netwerk van supergeleidende qubits in een microgolfresonator in te bedden, wetenschappers een toestand kunnen creëren waarin microgolffotonen zich gedragen als een Bose-Einsteincondensaat. Dit is niet slechts een theoretische curiositeit; het is een tastbare, meetbare materietoestand waar licht en materie samensmelten tot een collectief geheel. De observatie van Bogoliubov-excitaties en het hysteretische schakelgedrag suggereert dat deze systemen kunnen worden gebruikt als ultra-gevoelige detectoren of als bouwstenen voor kwantuminformatieverwerking. De onderzoekers stellen voor dat dit platform een nieuwe manier biedt om many-body fotonische systemen te ontwerpen, wat potentieel kan leiden tot apparaten die de zwakste fluisteringen van de kwantumwereld kunnen detecteren of informatie kunnen verwerken op manieren die we ons pas net beginnen voor te stellen. Hoewel het artikel zich richt op de fysica van het condensaat zelf, legt het de basis voor toekomstige technologieën die deze collectieve kwantumtoestanden voor praktische toepassingen kunnen inzetten.