Исследователи из MIT и Гарвардского университета разработали новую технологию, которая объединяет одиночный атом с одной лёгкой частицей, позволяя атому и фотону переключать квантовое состояние другой частицы.
Используя лазер для размещения отдельных атомов рубидия вблизи поверхности решетки света, ученые Массачусетского технологического института и Гарвардского университета разработали новый метод соединения частиц - метод, который может помочь в разработке мощных квантовых вычислительных систем.
Новая технология, описанная в статье, опубликованной сегодня в журнале Nature, позволяет исследователям соединить одиночный атом рубидия, металла, с одним фотоном или лёгкой частицей. Это позволяет как атому, так и фотону переключать квантовое состояние другой частицы, обеспечивая механизм, с помощью которого могут происходить квантовые вычислительные операции.
Более того, ученые полагают, что их техника позволит им увеличить количество полезных взаимодействий, происходящих на небольшом пространстве, тем самым увеличив объем доступных квантовых вычислений.
"Это большое достижение этой системы", - говорит Владан Вулетич, профессор кафедры физики и исследований в области электроники Массачусетского технологического института и соавтор статьи. "Мы показали, что атом может переключать фазу фотона. И фотон может переключать фазу атома."
То есть фотоны могут иметь два поляризационных состояния, а взаимодействие с атомом может изменять фотон от одного состояния к другому; наоборот, взаимодействие с фотоном может изменять фазу атома, что эквивалентно изменению квантового состояния атома от его "основного" к "возбужденному" состоянию. Таким образом, атом-фотонная связь может служить квантовым переключателем для передачи информации - эквивалентом транзистора в классической вычислительной системе. Разместив множество атомов в одном поле света, исследователи смогут построить сети, которые смогут более эффективно обрабатывать квантовую информацию.
"Теперь вы можете представить себе несколько атомов, разместить там несколько таких устройств - толщиной всего несколько сотен нанометров, в 1000 раз тоньше человеческого волоса - и соединить их вместе, чтобы они могли обмениваться информацией", - добавляет Вулетич.
Использование фотонной полости
Квантовые вычисления могут обеспечить быструю производительность вычислений, используя преимущества отличительных квантовых свойств частиц. Некоторые частицы могут находиться в состоянии суперпозиции, казалось бы, существуют в двух местах одновременно. Таким образом, частицы в суперпозиции, известные как кубиты, могут содержать больше информации, чем частицы в классическом масштабе, и позволяют выполнять более быстрые вычисления.
Однако исследователи находятся на ранних стадиях определения того, какие материалы лучше всего подходят для квантовых вычислений. Исследователи MIT и Гарвардского университета изучают фотоны в качестве материала-кандидата, поскольку фотоны редко взаимодействуют с другими частицами. По этой причине оптическую квантовую вычислительную систему, использующую фотоны, сложнее вывести из строя. Но поскольку фотоны редко взаимодействуют с другими кусочками материи, ими трудно манипулировать в первую очередь.
В этом случае исследователи с помощью лазера поместили атом рубидия очень близко к поверхности фотонной кристаллической полости, к структуре света. Атомы помещались не более чем на 100 или 200 нанометров - меньше длины волны света - от края полости. На таком небольшом расстоянии между атомом и поверхностью светового поля возникает сильная притягательная сила, которую исследователи использовали для удержания атома на месте.
Другие методы получения аналогичного результата рассматривались ранее, такие как, по сути, падение атомов на свет, а затем нахождение и удержание их в ловушке. Но исследователи обнаружили, что таким образом они имеют больший контроль над частицами.
"В некотором смысле, было большим сюрпризом то, как просто это решение было сравнимо с различными техниками, которые вы могли бы представить себе для получения атомов", - говорит Вулетич.
Результатом является то, что он называет "гибридной квантовой системой", в которой отдельные атомы соединены с микроскопическими устройствами и в которой атомы и фотоны могут контролироваться продуктивными способами. Исследователи также обнаружили, что новое устройство служит своеобразным маршрутизатором, отделяющим фотоны друг от друга.
"Идея состоит в том, чтобы соединить разные вещи, которые имеют разные сильные и слабые стороны, чтобы создать что-то новое", - говорит Вулетич: "Это технологический прогресс. Конечно, будет ли это технологией, еще предстоит выяснить."
Все еще удивительно держаться за один атом.
Статья "Нанофотонический квантовый фазовый переключатель с одним атомом" написана Вултичем, Тобиасом Тикке, постдоком, связанным с RLE и Гарвардом, профессором физики Михаилом Лукиным, постдоком Натали де Леон, аспирантами Джеффом Томпсоном и Бо Люком Гарвардского университета.
Сотрудничество между исследователями MIT и Гарвардского университета является одним из двух достижений в этой области, описанных в настоящем выпуске журнала "Природа". Исследователи из Института квантовой оптики им. Макса Планка в Германии параллельно разработали новый метод получения атомно-фотонных взаимодействий с использованием зеркал, формирующих квантовые ворота, которые изменяют направление движения или поляризацию фотонов.
"Гарвардский эксперимент/MIT - это шедевр квантовой нелинейной оптики, демонстрирующий превосходство отдельных атомов над многими атомами для управления полями квантового света", - говорит Герхард Ремпе, профессор Института квантовой оптики Макса Планка, который помог провести новое исследование немецкой команды и который прочел статью американской команды. "Когерентная манипуляция атомом, соединенным с фотонным кристаллическим резонатором, представляет собой прорыв и дополняет нашу собственную работу... с атомом в диэлектрическом зеркальном резонаторе."
Ремпе добавляет, что, по его мнению, обе технологии будут рассматриваться как заметные "достижения на пути к надежной квантовой технологии со стационарными атомами и летящими фотонами".
Если методы исследования кажутся немного футуристическими, Вултич говорит, что даже будучи опытным исследователем в этой области, он по-прежнему немного недоволен имеющимися в его распоряжении инструментами.
"Для меня все еще удивительно, после 20 лет работы в этой области, - размышляет Вулетич, - это то, что мы можем держать один атом, мы можем видеть его, мы можем перемещать, мы можем готовить квантовые суперпозиции атомов, мы можем обнаруживать их по одному".
Финансирование исследований частично осуществлялось Национальным научным фондом, Центром сверххолодных атомов Массачусетского технологического института, Советом по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады, Управлением научных исследований ВВС и Фондом Паккарда.
