Получение фотонов для взаимодействия является ключевым шагом на пути их использования в качестве кубитов.
Основополагающим элементом квантовых компьютеров является кубит . Кубиты могут быть любой частицей, обладающей квантовыми свойствами, такими как электрон или фотон . Для того, чтобы эти кубиты выполняли свою работу на квантовом компьютере, они должны взаимодействовать друг с другом в квантовом процессе, известном как запутывание.
В то время как фотоны будут делать большие кубиты из-за их скорости, они не любят взаимодействовать друг с другом или что-то еще в этом отношении, что затрудняет достижение квантовой запутанности.
В настоящее время исследователи из Университета штата Мэрилэнд и Объединенного института квантовых наук сумели решить эту проблему с разработкой первого однофотонного транзистора с использованием полупроводникового чипа. Полученное устройство делает возможным фотонно-фотонные взаимодействия в компактном чип-интегрированном устройстве, которое было ключевым недостающим компонентом интегрированной фотонной квантовой схемы.
В журнале Sciense исследователи описывают, как они построили свой транзистор из полупроводникового материала, называемого арсенидом галлия (GaAs). Эта тонкая мембрана имеет толщину всего 160 нанометров с периодическим множеством крошечных отверстий, пробитых в нее. Но в центре остались несколько отверстий.
Они объединили эту полупроводническую мембрану с квантовыми точками , которые в этом случае сделаны из другого полупроводникового материала, называемого арсенидом индия (InAs). Квантовые точки располагаются в середине массива дырок. Массив дыр образует нечто, называемое фотонным кристаллом, который является материалом, который может захватывать свет, используя механизм, называемый брэгговским отражением, где свет отскакивает вокруг ловушки. В этой конструкции квантовая точка не захватывает фотоны, но полость захватывает их.
То, что квантовая точка в этой компоновке делает, это хранить информацию о фотоне. Квантовая точка ловушки одного электрона внутри, которая имеет свойства спина, согласно Shuo Sun , ведущему автору статьи, и докторанту-исследователю из Стэнфордского университета, который был студентом графу UMD во время исследования.
Спин электрона можно считать квантовым свойством, аналогичным движению вращающейся вершины. Если фотон не приходит, электрон вращается в одну сторону (например, по часовой стрелке), но если в полость попадает один фотон, спин будет вращаться другим путем (против часовой стрелки). Благодаря этому механизму квантовая точка хранит информацию о входящем фотоне.
«Квантовая точка содержит один электронный спин, который действует как элемент памяти (подобный бит на жестком диске)», - объяснил Эдо Уокс , профессор UMD и JQI. «Когда первый фотон отражает, он переворачивает спин, который фиксирует тот факт, что он был там. Позже спин контролирует, отражает ли второй фотон или передает его ».
Все это позволяет преодолеть одну основную проблему при использовании фотонов на основе кубитов: фотоны едва взаимодействуют с окружающей средой. То, что сделали ученые, это проектные фотонные схемы (аналогичные электронным проводам), которые могут направлять и ловить фотоны в течение достаточно долгого времени до поглощения материала или утечки фотона.
«Нам нужно заставить фотоны взаимодействовать друг с другом в процессе запутывания», - сказал Сан. «Мы в первый раз продемонстрировали интегрированное с чипом устройство, которое позволяет одному фотону переключать другие фотоны, ключевой ингредиент для взаимодействия двух фотонов для запутывания».
Хотя эта работа представляет собой доказательство концепции, по словам Вакса, ученые думают о способах подключения и интеграции нескольких транзисторов и квантовых ворот вместе, чтобы сформировать мелкомасштабные квантовые фотонные схемы. «Это создает серьезные проблемы, поскольку наша текущая производительность устройства невелика, и нам нужно искать множество устройств, чтобы найти тот, который имеет хорошую производительность», - сказал Сан.
В далеком будущем ученые предполагают, что такой компактный квантовый процессор на основе фотонов может быть очень полезен для квантовых сетей и квантовых коммуникаций, поскольку фотоны являются естественным выбором в качестве носителей информации в мире волоконно-оптических коммуникационных технологий.