Известно, что лазеры, устройства, излучающие когерентный и монохроматический свет с определенной длиной волны, широко используются в настоящее время в самых различных областях. Медики используют лазеры для коррекции зрения, свет лазеров позволяет просканировать покупки, приобретенные в ближайшем супермаркете, а количество областей применения лазеров в науке вообще тяжело поддается исчислению. В большинстве случаев для удовлетворения всех насущных потребностей достаточно возможностей традиционных лазеров, не отличающихся сверхвысокой стабильностью и эффективностью. Однако, в некоторых областях, к примеру, в квантовых вычислениях, энергия света относительно мощного лазера может разрушить хрупкое состояние квантовой системы. Поэтому ученые на протяжении уже 40 лет занимались поисками эффективных, миниатюрных и стабильных микроволновых лазеров, энергия излучения которых не наносит большого ущерба чрезвычайно холодной окружающей среде, в которой приходится работать большинству современных квантовых технологий.

Новый тип микроскопического микроволнового лазера удалось разработать группе Лео Кувенховена (Leo Kouwenhoven) из Технологического университета Дельфта (TU Delft). В основе принципа работы этого лазера лежит один из фундаментальных эффектов, связанный с явлением сверхпроводимости, так называемый переход Джозефсона (Josephson junction). Переход Джозефсона возникает в месте тонкого разрыва сверхпроводящего проводника. При приложении к этому переходу электрического напряжения определенной величины через него начинает течь электрический ток. Этот ток возникает за счет эффекта квантового туннелирования электронов и он имеет импульсных характер. Частота импульсов этого тока зависит от величины приложенного напряжения и от массы других внешних факторов, что делает переход Джозефсона идеальным чувствительным элементом и преобразователем для различных датчиков.

Однако ученым удалось превратить единственный переход Джозефсона в высококачественный стабильный микроволновый лазер, размер которого сопоставим с размером муравья. По аналогии с обычными лазерами, переход Джозефсона в данном случае выступает в роли единственного атома, помещенного во впадину оптического резонатора. Края этой впадины работают в качестве зеркал традиционного лазера, а резонансная частота впадины соответствует частоте микроволновых фотонов, излучаемых переходом Джозефсона. Устройство охлаждается до сверхнизкой, менее одного градуса Кельвина, температуры и к переходу Джозефсона прикладывается определенное электрическое напряжение. Переход начинает испускать микроволновые фотоны, которые, как в обычном лазере, отражаются от зеркал и вынуждают переход излучать другие фотоны, синхронизированные по фазе и углу поляризации с ранее излученными фотонами.

В результате работы такого лазера он излучает луч, состоящий из следующих друг за другом микроволновых фотонов. Поскольку лазер изготовлен из сверхпроводящих материалов, то для его работы требуются совсем крохи, менее одного пикоВатта, энергии.

Помимо высокой стабильности работы и малого количества потребляемой энергии, созданный учеными лазер на переходе Джозефсона подходит для его интеграции на кристаллы чипов квантовых и других систем. Более того, режимом работы этого лазера можно легко управлять традиционными электрическими способами. И что особо важно, такой лазер может использоваться для получения «сжатого по амплитуде» света, который, в свою очередь, используется в протоколах квантовых коммуникационных и вычислительных системах.