Квантовый Интернет и гибридные квантовые компьютеры, построенные из подсистем, работающих с помощью различных физических явлений, теперь становятся чем-то большим, чем просто плод воображения. В статье, только что опубликованной в журнале Nature Photonics, физики с физического факультета Варшавского университета (FUW) и Оксфордского университета представили ключевой элемент таких систем: электрооптическое устройство, позволяющее изменять свойства отдельных фотонов. быть модифицированным. В отличие от существующих лабораторных конструкций, это новое устройство работает с недостижимой ранее эффективностью и в то же время стабильно, надежно и компактно.Создание эффективного устройства для изменения квантового состояния отдельных фотонов было исключительно сложной задачей, учитывая фундаментальные различия между классическими и квантовыми вычислениями.
Современные вычислительные системы основаны на обработке групп битов, каждая из которых находится в определенном, хорошо известном состоянии: либо 0, либо 1. Группы таких битов непрерывно передаются как между различными подкомпонентами в пределах одного компьютера, так и между разные компьютеры в сети. Мы можем проиллюстрировать это образно, представив ситуацию, в которой лотки с монетами перемещаются с места на место, причем каждая монета кладется либо головкой, либо хвостом вверх.Сложнее обстоит дело с квантовыми вычислениями, которые основаны на феномене суперпозиции состояний.
Квантовый бит, известный как кубит, может находиться как в состоянии 1, так и в состоянии 0 одновременно. Продолжая аналогию, описанную выше, это будет похоже на ситуацию, когда каждая монета крутится на краю. Обработку информации можно описать как «квантовую» обработку до тех пор, пока эта суперпозиция состояний может сохраняться во время всех операций — другими словами, пока ни одна из монет не выпадает из состояния вращения во время перемещения лотка.
«В последние годы физики выяснили, как генерировать световые импульсы с определенной длиной волны или поляризацией, состоящие из одного кванта — или возбуждения — электромагнитного поля. И поэтому сегодня мы знаем, как генерировать точно любой квантовый Мы хотим «вращать монеты», — говорит доктор Михал Карпински из Института экспериментальной физики (FUW), один из авторов публикации. «Но достижение одного всегда оставляет желать большего!
Если теперь у нас есть отдельные кванты света с определенными свойствами, было бы полезно изменить эти свойства. Таким образом, задача более или менее такая: взять вращающуюся серебряную монету и переместить ее из одной. место в другое, но попутно быстро и точно превратить ее в золотую монету, естественно, не опрокидывая ее. Вы легко видите, что проблема нетривиальна ".
Существующие методы модификации отдельных фотонов используют нелинейные оптические методы, на практике пытаясь заставить отдельный фотон взаимодействовать с очень сильным лучом оптической накачки. Будет ли на самом деле изменен фотон, подвергнутый такому воздействию, — вопрос чистой случайности. Более того, рассеяние луча накачки может загрязнять поток отдельных фотонов. При создании нового устройства группа из Варшавского и Оксфордского университетов решила использовать другое физическое явление: электрооптический эффект, возникающий в определенных кристаллах.
Он позволяет изменять показатель преломления света в кристалле, изменяя интенсивность приложенной к нему внешней магнитной силы (другими словами, без введения каких-либо дополнительных фотонов!).«Поразительно, что для изменения квантовых свойств отдельных фотонов мы можем успешно применять методы, очень похожие на те, что используются в стандартных оптоволоконных телекоммуникациях», — говорит доктор Карпински.Используя новое устройство, исследователям удалось — без нарушения квантовой суперпозиции! — добиться увеличения длительности однофотонного импульса в шесть раз, что автоматически означает сужение его спектра.
Что особенно важно, так это то, что вся операция проводилась с сохранением очень высокой эффективности преобразования. Существующие преобразователи работали только в лабораторных условиях и могли изменять только один фотон из нескольких десятков. Новое устройство работает с эффективностью, превышающей 30%, что в 200 раз лучше, чем некоторые существующие решения, сохраняя при этом низкий уровень шума.«По сути, мы обрабатываем каждый фотон, попадающий в кристалл.
Эффективность меньше 100% не из-за физики явления, а из-за трудно избежать потерь чисто технического характера, возникающих, например, при попадании света в кристалл. выходит из оптических волокон », — объясняет аспирант Михал Ячура (FUW).Новый преобразователь не только эффективен и малошумит, но также стабилен и компактен: устройство можно поместить в коробку размером не намного больше 10 см (4 дюйма), легко установить в оптоволоконной системе с индивидуальным каналом. фотоны. Такое устройство позволяет нам реалистично думать о создании, например, гибридного квантового компьютера, отдельные подкомпоненты которого будут обрабатывать информацию квантовым способом с использованием различных физических платформ и явлений.
В настоящее время делаются попытки построить квантовые компьютеры с использованием, среди прочего, захваченных ионов, электронных спинов в алмазе, квантовых точек, сверхпроводящих электрических цепей и атомных облаков. Каждая такая система взаимодействует со светом различных свойств, что на практике исключает оптическую передачу квантовой информации между различными системами. С другой стороны, новый преобразователь может эффективно преобразовывать однофотонные световые импульсы, совместимые с одной системой, в импульсы, совместимые с другой.
Таким образом, ученые находят реальный путь к созданию квантовых сетей, как небольших в рамках одного квантового компьютера (или его подкомпонента), так и глобальных, обеспечивающих возможность полностью безопасной передачи данных между квантовыми компьютерами, расположенными в разных частях мира.