Перестраиваемый по частоте счетчик микроволновых фотонов на основе сверхпроводящего квантового интерферометра

Abstract

Различные типы однофотонных счетчиков, работающих в инфракрасном, ультрафиолетовом и оптическом диапазонах, успешно используются для изучения электромагнитных полей, анализа источников излучения и решения задач квантовой информатики. Однако в миллиметровом, сантиметровом и дециметровом диапазонах длин волн принципы их работы становятся неэффективными из-за уменьшения энергии кванта на 4–5 порядков. Джозефсоновские цепи с дискретными гамильтонианами и кубиты являются хорошим фундаментом для построения однофотонных счетчиков на этих частотах. В работе рассматриваются перестраиваемые по частоте счетчики микроволновых фотонов на основе одноконтактного сверхпроводящего квантового интерферометра и потокового кутрита. Импульс управления превращает интерферометр в двухуровневую систему для резонансного поглощения фотона. Распад индуцированного фотоном возбужденного состояния изменяет значение магнитного потока в интерферометре, которое измеряется СКВИД-магнитометром. Обсуждаются схемы регистрации магнитного потока ПТ СКВИДом или идеальным параметрическим детектором на основе кутрита с высокочастотным возбуждением. Показано, что счетчик, состоящий из интерферометра с джозефсоновским контактом и параметрического детектора, обладает высоким быстродействием и позволяет регистрировать одиночные фотоны в микроволновом диапазоне.

Різні типи однофотонних лічильників, що працюють в інфрачервоному, ультрафіолетовому і оптичному діапазонах, успішно використовуються для вивчення електромагнітних полів, аналізу джерел випромінювання та вирішення проблем квантової інформатики. Проте в міліметровому, сантиметровому і дециметровому діапазонах довжин хвиль принципи їхньої роботи стають неефективними через зменшення енергії кванта на 4–5 порядків. Джозефсонівскі ланцюги з дискретними гамільтоніанами і кубіти є хорошим фундаментом для побудови однофотонних лічильників на цих частотах. У роботі розглядаються перестроювальні за частотою лічильники мікрохвильових фотонів на основі одноконтактного надпровідного інтерферометра та потокового кутріту. Керуючий імпульс перетворює інтерферометр на дворівневу систему для резонансного поглинання мікрохвильового фотона. Розпад індукованого фотоном збудженого стану змінює значення магнітного потоку в інтерферометрі, яке вимірюється СКВІДмагнітометром. Обговорюються схеми реєстрації магнітного потоку ПС СКВІДом або ідеальним параметричним детектором на основі кутріту з високочастотним збудженням. Показано, що лічильник, що складається із інтерферометра з джозефсонівским контактом та параметричного детектора, має високу швидкодію і дозволяє реєструвати поодинокі фотони в мікрохвильовому діапазоні.

Various types of single photon counters operating in infrared, ultraviolet and optical wavelength range are successfully used for exploring electromagnetic fields, radiation source analysis and solving problems of quantum informatics. However, in millimeter, centimeter and decimeter wavelength range their operation principles become ineffective since the quantum energy is 4–5 orders of magnitude lower. Josephson circuits with discrete Hamiltonians and qubits are a good base for constructing single photon counters at these frequencies. In the paper frequency-tuned counters of microwave photons are considered based on a superconductive singlejunction interferometer and a flux qutrit. The control pulse turns the interferometer into a two-level system capable of resonant absorbing the microwave photon. The decay of the photon-induced excited state changes magnetic flux in the interferometer that is measured by a SQUID magnetomer. The readout circuits of the magnetic flux are discussed including a dc SQUID or an ideal parametric detector based on an rf-driven qutrit. It is shown that the counter based on the interferometer with a Josephson junction and the parametric detector demonstrates high performance rate and is capable of detecting single photons in microwave wavelength range.