У квантових фізиків з’явиться новий вимірювальний інструмент

Фізики створили тепловий квантовий насос із частинок світла. Цей пристрій наближає вчених до квантової межі вимірювання радіочастотних сигналів, що може бути корисним у пошуках темної матерії.

Якщо звести два об'єкти різної температури, наприклад, помістити теплу пляшку білого вина в холодний пакет, тепло зазвичай тече в одному напрямку, від гарячого (вина) до холодного (пакету). І якщо ви зачекаєте досить довго, вони обидва досягнуть однакової температури — процес, відомий у фізиці як досягнення рівноваги: баланс між потоками тепла в один та інший бік.

Якщо ви готові докласти певних зусиль, ви можете порушити цей баланс і змусити тепло текти у "неправильному" напрямку. Саме цей принцип використовується у вашому холодильнику для збереження холоду в продуктах, а також ефективних теплових насосах, які можуть забирати тепло з холодного повітря зовні для обігріву вашого будинку.

У своїй роботі дослідники демонструють квантовий аналог теплового насоса, змушуючи елементарні квантові частинки світла, відомі як фотони, рухатися проти потоку від гарячого об'єкта до холодного.

Сигнали темної матерії

Хоча дослідники вже використовували свій пристрій як холодну ванну для гарячих радіочастотних фотонів у попередньому дослідженні, тепер їм вдалося одночасно перетворити його на підсилювач. Завдяки вбудованому підсилювачу пристрій став більш чутливим до радіочастотних сигналів, подібно до того, як це відбувається з посиленими мікрохвильовими сигналами, що виходять із надпровідних квантових процесорів.

"Це дуже цікаво, тому що ми можемо наблизитися до квантової межі вимірювання радіочастотних сигналів, частот, які важко виміряти іншим способом. Цей новий вимірювальний інструмент може мати безліч застосувань, одне з яких – пошук темної матерії", – каже співавтор роботи Гері Стіл.

Квантовий тепловий насос

Пристрій, відомий як ланцюг фотонного тиску, виготовлено з надпровідних індукторів і конденсаторів на кремнієвому чіпі, охолодженому всього на кілька міліградусів вище від абсолютного нуля. Хоча це звучить дуже холодно, для деяких фотонів у ланцюгу ця температура є дуже гарячою, і вони збуджуються за допомогою теплової енергії. Використовуючи тиск фотонів, дослідники можуть поєднати ці збуджені фотони з високочастотними холодними фотонами, що в попередніх експериментах дозволило їм охолодити гарячі фотони до квантового основного стану.

У новій роботі автори додають новий поворот: посилаючи додатковий сигнал у холодний контур, вони можуть створити двигун, який підсилює холодні фотони та нагріває їх. У той же час, додатковий сигнал "перекачує" фотони переважно в одному напрямку між двома контурами. Проштовхуючи фотони в одному напрямку сильніше, ніж в іншому, дослідники можуть охолодити фотони в одній частині ланцюга до температури, яка холодніше, ніж в іншій частині, створюючи квантову версію теплового насоса для фотонів надпровідної ланцюга.

Робота прийнята на публікацію у журналі Science Advances.