ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2026. №7
Текст статьи (pdf)
DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2026.7.15
УДК: 538.945
МНОГОУРОВНЕВОГО ИСКУССТВЕННОГО АТОМА
КВАНТОВЫМИ И КЛАССИЧЕСКИМИ
И.А. Соловых 1,2, О.В. Тихонова 1,2,3,
А.В. Пащенко 4,5, И.И. Соловьев 2,3, Н.В. Кленов 4,5
1 МГУ имени М.В. Ломоносова, физический факультет,
119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2
2 МГУ имени М.В. Ломоносова, НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына,
119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2
3 Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН,
125009, Москва, ул. Моховая, д. 11, стр. 7
4 Московский технический университет связи и информатики,
111024, Москва, ул. Авиамоторная, 8а
5 Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики имени Н. Л. Духова, 127030, Москва, ул. Сущевская, 22
Статья поступила в редакцию 9 июня 2026 г.
Аннотация. В рамках исследования динамики джозефсоновского искусственного атома на основе трансмона выявлены фундаментальные особенности возбуждения сверхпроводящей системы под действием квантового и классического микроволнового поля. Классическое поле, будучи неограниченным источником энергии, последовательно заселяет уровни трансмона, приводя к распределению населенностей по закону Пуассона. В противоположность этому, квантовое поле с конечным числом фотонов обеспечивает осциллирующую динамику заселения уровней с биномиальным распределением вероятностей, что позволяет передавать квантовую статистику между полем и атомом. Обнаружено, что в режиме сильной связи и при оптимальной частотной отстройке квантовое поле селективно и эффективно заселяет требуемые уровни трансмона, что невозможно достичь при возбуждении классическим полем. Эти различия открывают перспективы использования многоуровневых искусственных атомов (кудитов) на основе трансмона в качестве квантовых интерфейсов и детекторов неклассических микроволновых состояний в архитектуре распределенных квантовых систем.
Ключевые слова: эффект Джозефсона, сверхпроводимость, искусственные атомы, квантовое электромагнитное поле, микроволновая квантовая оптика, трансмонный кудит.
Финансирование: Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (Соглашение № 075-15-2024-538).
Автор для переписки: Кленов Николай Викторович, nvklenov@mail.ru
Литература
1. Blais A. et al. Circuit quantum electrodynamics // Reviews of Modern Physics. – 2021. – Т. 93. – №. 2. – С. 025005.
2. Gu X. et al. Microwave photonics with superconducting quantum circuits // Physics Reports. – 2017. – Т. 718. – С. 1-102.
3. Blais A. et al. Cavity quantum electrodynamics for superconducting electrical circuits: An architecture for quantum computation // Physical Review A–Atomic, Molecular, and Optical Physics. – 2004. – Т. 69. – №. 6. – С. 062320.
4. Wallraff A. et al. Strong coupling of a single photon to a superconducting qubit using circuit quantum electrodynamics // Nature. – 2004. – Т. 431. – №. 7005. – С. 162-167.
5. Krantz P. et al. A quantum engineer's guide to superconducting qubits // Applied physics reviews. – 2019. – Т. 6. – №. 2.
6. Kurpiers P. et al. Deterministic quantum state transfer and remote entanglement using microwave photons // Nature. – 2018. – Т. 558. – №. 7709. – С. 264-267.
7. Leung N. et al. Deterministic bidirectional communication and remote entanglement generation between superconducting qubits // npj quantum information. – 2019. – Т. 5. – №. 1. – С. 18.
8. Yam W.K. et al. Cryogenic microwave link for quantum local area networks // npj Quantum Information. – 2025. – Т. 11. – №. 1. – С. 87.
9. Jaynes E.T., Cummings F.W. Comparison of quantum and semiclassical radiation theories with application to the beam maser // Proceedings of the IEEE. – 1963. – Т. 51. – №. 1. – С. 89-109.
10. Glauber R.J. Coherent and incoherent states of the radiation field // Physical Review. – 1963. – Т. 131. – №. 6. – С. 2766.
11. Hofheinz M. et al. Generation of Fock states in a superconducting quantum circuit // Nature. – 2008. – Т. 454. – №. 7202. – С. 310-314.
12. Hofheinz M. et al. Synthesizing arbitrary quantum states in a superconducting resonator // Nature. – 2009. – Т. 459. – №. 7246. – С. 546-549.
13. Koch J. et al. Charge-insensitive qubit design derived from the Cooper pair box // Physical Review A–Atomic, Molecular, and Optical Physics. – 2007. – Т. 76. – №. 4. – С. 042319.
14. Kristen M. et al. Amplitude and frequency sensing of microwave fields with a superconducting transmon qudit // npj Quantum information. – 2020. – Т. 6. – №. 1. – С. 57.
15. Liu P. et al. Performing SU (d) operations and rudimentary algorithms in a superconducting transmon qudit for d = 3 and d = 4 // Physical Review X. – 2023. – Т. 13. – №. 2. – С. 021028.
16. Goss N. et al. Extending the computational reach of a superconducting qutrit processor // npj Quantum Information. – 2024. – Т. 10. – №. 1. – С. 101.
17. Nguyen L.B. et al. Empowering a qudit-based quantum processor by traversing the dual bosonic ladder // Nature Communications. – 2024. – Т. 15. – №. 1. – С. 7117.
18. Peterer M.J. et al. Coherence and decay of higher energy levels of a superconducting transmon qubit // Physical review letters. – 2015. – Т. 114. – №. 1. – С. 010501.
19. Seifert L.M. et al. Exploring ququart computation on a transmon using optimal control // Physical Review A. – 2023. – Т. 108. – №. 6. – С. 062609.
20. Champion E. et al. Multi-frequency control and measurement of a spin-7/2 system encoded in a transmon qudit // arXiv preprint arXiv:2405.15857. – 2024.
21. Wang Z. et al. High-EJ/EC transmon qudits with up to 12 levels // Physical Review Applied. – 2025. – Т. 23. – №. 3. – С. 034046.
22. Dmitriev A.Y. et al. Quantum wave mixing and visualisation of coherent and superposed photonic states in a waveguide // Nature communications. – 2017. – Т. 8. – №. 1. – С. 1352.
23. Pogosov W.V., Dmitriev A.Y., Astafiev O.V. Effects of photon statistics in wave mixing on a single qubit // Physical Review A. – 2021. – Т. 104. – №. 2. – С. 023703.
24. Dmitriev A.Y. et al. Direct experimental observation of sub-Poissonian photon statistics by means of multiphoton scattering on a two-level system // Physical Review A. – 2025. – Т. 111. – №. 4. – С. 043715.
25. Ilves J. et al. On-demand generation and characterization of a microwave time-bin qubit // npj Quantum Information. – 2020. – Т. 6. – №. 1. – С. 34.
26. Li Y. et al. Frequency-tunable microwave quantum light source based on superconducting quantum circuits // Chip. – 2023. – Т. 2. – №. 3. – С. 100063.
27. Schuster D.I. et al. Resolving photon number states in a superconducting circuit // Nature. – 2007. – Т. 445. – №. 7127. – С. 515-518.
28. Eichler C. et al. Experimental state tomography of itinerant single microwave photons // Physical Review Letters. – 2011. – Т. 106. – №. 22. – С. 220503.
29. Besse J.C. et al. Single-shot quantum nondemolition detection of individual itinerant microwave photons // Physical Review X. – 2018. – Т. 8. – №. 2. – С. 021003.
30. Kono S. et al. Quantum non-demolition detection of an itinerant microwave photon // Nature Physics. – 2018. – Т. 14. – №. 6. – С. 546-549.
31. Solovykh I.A. et al. Few-photon microwave fields for superconducting transmon-based qudit control // Beilstein Journal of Nanotechnology. – 2025. – Т. 16. – №. 1. – С. 1580-1591.
32. Forn-Díaz P. et al. Ultrastrong coupling regimes of light-matter interaction // Reviews of Modern Physics. – 2019. – Т. 91. – №. 2. – С. 025005.
33. Сергеев М.А., Бастракова М.В., Вожаков В.А., Кленов Н.В., Соловьев И.И., Терешонок М.В. Нейросетевой поиск оптимальных последовательностей импульсов для управления динамикой кубитов // T-Comm - Телекоммуникации и Транспорт. – 2024. – Т. 18, № 7. – С. 56–64.
34. Zakharov R.V., Tikhonova O.V., Klenov N.V., Soloviev I.I., Antonov V.N., and YakovlevD.S. Solid-state qubit as an on-chip controller for non-classical field states // Advanced Quantum Technologies. – 2024. – Vol. 7, no. 10. – P. 2400141.
Для цитирования:
Соловых И.А., Тихонова О.В., Пащенко А.В., Соловьев И.И., Кленов Н.В. Особенности возбуждения многоуровневого искусственного атома квантовыми и классическими электромагнитными полями // Журнал радиоэлектроники. – 2026. – №. 7. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2026.7.15