Аннотация результатов, полученных в 2020 году
(1) Построена теория взаимодействия света с периодическими массивами неподвижных сверхпроводящих кубитов, помещенных в волновод. Предсказано возникновение в конечных массивах хаотических двухполяритонных состояний, индуцированных взаимодействием. https://arxiv.org/abs/2011.11931 (2) Совместно с экспериментаторами университета Карлсруэ (Германия) проведены экспериментальные исследования взаимодействия света с массивом восьми сверхпроводящих кубитов, помещенных в волновод. В согласии с теоретическими предсказаниями, продемонстрировано экспериментально образование сверхизлучательных и субызлучательных состояний, а также поляритонной щели в спектре пропускания и коллективный эффект электромагнитно-индуцированной прозрачности. https://arxiv.org/abs/2006.03330 (3) Теоретически исследованы оптомеханические эффекты взаимодействия фотонов с колеблющимися атомами, связанными с однонаправленным волноводом. Рассчитана зависимость уровней энергии системы трех атомов от силы оптомеханического взаимодействия. Предсказана возможность квантовых фазовых переходов в системе с нарушением Z3 симметрии и образованием квантово-запутанного основного состояния. https://arxiv.org/abs/2009.01289 (4) Рассчитаны индуцированные излучением топологические краевые состояния фононов, взаимодействующих с массивом атомов или кубитов. Рассмотрена ситуация, когда массив освещается двумя электромагнитными волнами, частота одной из которых выше оптического резонанса, а второй – ниже резонанса, и показано, что свет в такой системе наводит периодический потенциал для колебаний, соответствующий эффективной модели Обри–Андре–Харпера (Aubry–Andre–Harper, AAH). На краю такой структуры возникают топологические краевые состояния акустических фононов (принято к печати в журнале Физика Твердого Тела) (5) Проведены теоретические исследования эффектов оптомеханического разогрева и охлаждения для локализованной колебательной моды, взаимодействующей одновременно с двумя поляритонными резонансами. Проанализирована зависимость эффективности разогрева и охлаждения от соотношения коэффициентов связи колебаний с двумя резонансами и численно продемонстрирована возможность асимметрии в спектре разогрева, когда разогрев реализуется лишь только на резонансе верхней или только на резонансе нижней поляритонной моды. (6) Проведены предварительные расчеты диаграмм направленности для многоквантового рассеяния света на колеблющейся резонансной наночастице и показано, что максимально возможная степень направленности рассеяния возрастает с с увеличением числа испущенных или поглощенных квантов колебаний. (7) Рассчитана вероятность возбуждения плазмона в графене падающей по нормали электромагнитной волной в процессе стоксова или анти-стоксова рассеяния, сопровождающегося испусканием или поглощением изгибного фонона. Установлено, что при низких температурах основной вклад в вероятность процесса вносит чисто электродинамический механизм взаимодействия плазмона с изгибными колебаниями, основанный на изменении фазы электромагнитного поля, воздействующего на участок листа графена, при его смещении вдоль нормали. При высоких температурах рассеяние обусловлено взаимодействием плазмона с изгибными колебаниями по механизму деформационного потенциала. Рассчитано пространственное распределение поверхностных акустических волн в полупроводнике, покрытом решеткой, не обладающей центром пространственной инверсии. Показано, что в решетке без центра инверсии распределение деформации для поверхностной волны с нулевым блоховским волновым вектором является асимметричным и характеризуется ненулевым средним импульсом в плоскости интерфейса и ненулевой степенью циркулярной поляризации в плоскости, перпендикулярной поверхности. (принято к печати в журнале Физика и Техника Полупроводников) (8) Построена феноменологическая теория и проведен симметрийный анализ экситон-фононного взаимодействия в квантовых точках халькогенидов свинца (PbS, PbSe, PbTe) с учётом многодолинности в рамках расширенной kp-модели.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Построена теория взаимодействия двух колеблющихся в пространстве квантовых излучателей, расположенных вблизи одномерного волновода и взаимодействующих с распространяющимися в волноводе фотонами. Рассчитан комплексный энергетический спектр системы с взаимодействующими модами излучателей, фотонами и колебаниями в зависимости от силы связи между колебаниями и модами излучателей. Показано, что в режиме сильного оптомеханического взаимодействия индуцированная светом гибридизация между колебаниями излучателей может приводить к образованию локализованных в пространстве колебательных мод, демонстрирующих нарушение симметрии четности-времени (PT, parity-time symmetry). Эффект локализации был проанализирован в рамках квазиклассического приближения и показано, что локализованные колебания можно интерпретировать как топологические дефекты квазиклассического энергетического спектра [Physical Review A (2022, в печати), arXiv:2106.15336v1]. 2) В рамках сотрудничества с экспериментальной группой профессора Йоханнеса Финка (Институт Нанонаук, Вена, Австрия) проведено экспериментальное исследование рассеяния света на образце из пары сверхпроводящих кубитов-трансмонов, связанных с волноводом и находящихся на расстоянии четверти длины волны на частоте резонанса. Особенностью структуры является возможность быстрой модуляции резонансных частот кубитов во времени при подаче внешнего тока. В согласии с нашими теоретическими предсказаниями, если резонансные частоты кубитов модулируются в фазе, стоксово и антистоксово рассеяние направлено преимущественно вперед. Если же резонансные частоты модулируются в противофазе, стоксово и антистоксово рассеяние идет преимущественно назад. Результаты экспериментов, проведенных в Вене, количественно согласуются с нашими расчетами. Подобная структура, модулированная во времени, открывает новые возможности управления распространения фотонов в квантовых цепях. 3) Рассчитана корреляционная функция второго порядка g(2) (t) между фотонами, проходящими через периодический брэгговский сверхпроводящих кубитов, связанных с волноводом и расположенных на расстоянии половины длины световой волны. Было продемонстрировано, что квантовые корреляции между фотонами, группировка и антигруппировка, могут сохраняться намного дольше, чем радиационное и безызлучательное время жизни одного кубита. Это объясняется эффектом Бормана, заключающемся в формировании стоячей волны экситонных поляритонов с узлами волны, центрированными на кубитах. Поскольку кубиты, поглощающие свет, расположены в узлах волны, фотон-фотонные корреляции становятся частично невосприимчивыми к безызлучательной диссипации. Такая устойчивость квантовых корреляций открывает новые возможности для повышения производительности установок волноводной квантовой электродинамики [Phys. Rev. A 103, 043718 (2021)]. В 2021 году в рамках проекта также велись исследования в области генерации плазмонов при поглощении света мембраной двумерного полупроводника за счет взаимодействия с изгибными колебаниями мембраны, электрон-фононного взаимодействия в квантовых точках и нелинейной синхронизации квантовых состояний кубитов в волноводах за счет взаимодействия с колебаниями. Развивалась теория параметрической генерации фотонов в структуре на основе двух кубитов, связанных с волноводом. Завершение этих работ намечено на 2022 год. Также вышли из печати три статьи, отправленные в печать в 2020 году и принятые к публикации после отправления отчета за 2020 год, результаты которых ранее были включены в отчет по проекту за 2020 год [Phys. Rev. Lett. 126, 203602 (2021); npg "Quantum Materials" 6, 10 (2021); Physical Review Letters 125, 263606 (2020)].

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Были рассчитаны квантовые корреляции между фотонами, рассеянными на массиве кубитов, параметры которого не являются стационарными, а зависят от времени. Установлено, что таким способом возможна генерация состояний с группировкой и антигруппировкой фотонов, а также запутанных и кластерных состояний фотонов. Разработан подход для генерации произвольного запутанного состояния фотонов в массиве кубитов. Совместно с зарубежными экспериментаторами (институт науки и технологии, Австрия) продемонстрировано направленное испускание фотонов в такой структуре. Также была построена теория динамического эффекта Казимира – параметрической генерации фотонов -- в таком массиве с модулированными частотами. Были рассчитаны квантовые корреляции между испускаемыми фотонами в зависимости от периода структуры и частот излучения. Установлено, что скорость параметрической генерации существенно зависит от величины ангармонизма потенциала кубитов и подавляется с ростом ангармонизма. В спектре были выявлены резонансы, связанные с одночастичными и двухчастичными возбуждениями структуры. Была теоретически исследована квантовая динамика в периодических массивах двухуровневых кубитов, связанных с волноводом под воздействием внешней периодической во времени когерентной накачки. Установлено, что при сильной накачке возникают долгоживующие корреляции между кубитами для структуры, с антибрэгговским периодом, d = lambda/4, 3lambda/4 . Прим этом при малой накачке долгоживущие состояния при этих значениях периода отсутствуют. Совместно с экспериментаторами из университета Карлсруэ, было продемонстрировано замедление электромагнитных волн в сверхпроводящем метаматериале, состоящем из кубитов, соединенных с общим волноводом. Экспериментальные измерения времени задержки находятся в согласии с теоретическими расчетами, выполненными в рамках метода матриц переноса и модели эффективной среды. Скорость распространения подавлена по сравнению с вакуумом более чем в 1500 раз.Эти результаты демонстрируют высокую гибкость сверхпроводящих структур для реализации управления распространением квантовых микроволновых сигналов на сверхпроводящих чипах. Часть работ по проекту вошла в обзор «Waveguide quantum electrodynamics: Collective radiance and photon-photon correlations» под руководством руководителя проекта, принятый к печати в наиболее престижный физический журнал Review Modern Physics (impact factor 54). Согласно данным Web of Science, с 2019 года с участием российских ученых в этом журнале было опубликовано лишь три работы. Обзор посвящен взаимодействию света, распространяющегося в волноводе, с естественными или искусственными атомами (квантовыми точками, твердотельными дефектами, сверхпроводящими кубитами).