Усиление электрических сигналов при уменьшении шума крайне важно для большого количества современной технологии. Теперь, ученые создали устройство, усиливающее микроволновые печи с почти минимальным количеством шума, позволенного квантовой механикой. Устройство могло использоваться для обработки чувствительных выводов квантовых компьютеров, которые, как ожидают, выиграют у стандартных компьютеров в последующие годы.
Шум является вездесущим в электрических сигналах. Часть его возникает просто, потому что атомы имеют тепло — они толкаются вокруг, стуча в друг друга. Но даже когда нет никакого тепла — т.е. когда температуры понизились близко к абсолютному нулю — шумовые остатки. Поэтому фундаментального принципа квантовой механики, говорящей, что пространство всегда заполнено колеблющейся энергией или квантовыми колебаниями.
Сокращение шума до этого квантового предела вне лиги большинства электронных усилителей. Некоторые специализированные устройства делают хорошую работу, если они содержат сверхпроводники, изолирующие устройства от окружающей среды. Но эти устройства имеют другие недостатки, особенно неспособность усилить сигналы с большим динамическим диапазоном — идущие от слабого до очень сильного.
Теперь, физики Франческо Массэль и Мика Силлэнпэа из университета Aalto в Финляндии и коллег придумали усилитель, могущий сигналы процессов с большим динамическим диапазоном при работе близко к квантовому пределу шума. Основной принцип усилителя должен повысить микроволновый сигнал путем кражи фотонов из непротиворечивой волны «насоса». На практике это трудно, однако, потому что подача или энергия сигнальных фотонов меняются в зависимости от времени, и таким образом, фотоны насоса будут не всегда соответствовать.
У Massel и коллег есть опрятная уловка для подхождения энергий фотона. Исследователи посылают сигнал и волну насоса в зигзагообразную каверну, где они подпрыгивают назад и вперед.
Рядом с каверной неосновательный механический луч, начинающий резонировать под давлением от живых волн насоса и при этом уменьшающий энергию фотонов насоса. Скоро, энергия снижений фотонов насоса, пока это не соответствует энергии сигнальных фотонов, в котором пункте волна насоса сливается с сигнальной волной и усиливает его.Как сообщается онлайн сегодня по своей природе, устройство может достигнуть 25 децибелов увеличения с шумом 20 раз квантовый предел.
Это намного лучше, чем большинство стандартных микроволновых усилителей, несмотря на то, что это не столь чисто как увеличение от устройств сверхпроводимости, работающих во всего два или три раза выше квантового предела шума. Однако Massel указывает, что он и его коллеги только обнаружили малошумящее поведение их усилителя случайно, и они могли достигнуть квантового предела шума после дальнейшего развития.Для физика Николаса Бергила ESPCI ParisTech во Франции эта потребность в дальнейшем развитии делает его трудно для предвидения возможного применения.
Но исследователи выполнили «замечательный эксперимент», говорит он, потому что никто не попытался приблизиться к квантовому пределу шума с помощью механических резонаторов прежде. «До настоящего времени люди сосредоточили в основном на сверхпроводимости… устройства, полагающиеся исключительно на электрические элементы».Однако, Мэссель полагает, что устройство могло использоваться для усиления слабых выходных сигналов квантовых компьютеров, которые, как ожидают, будут эксплуатировать врожденную нечеткость квантовой механики для выполнения вычислений намного быстрее, чем любая из сегодняшних машин. «Вне общего интереса наличия самого ограниченного квантом усилителя», говорит он, «это – применение где это, скорее всего, чтобы использоваться».