Явления квантового мира, которые часто кажутся причудливыми, давно применяют в технике. Например, запутанность: квантово-физическую связь между частицами, которая странным образом связывает их даже на больших расстояниях. Ее можно использовать для создания квантового компьютера. В отличие от обычного компьютера, такая машина выполняет множество математических операций одновременно.
В чем проблема?
Однако чтобы использовать квантовый компьютер на полную мощность, все запутанные частицы должны работать вместе. Речь идет о базовых элементах для вычислений — кубитах.
Идеально для этого подходят фотоны — частицы света. Дело в том, что они достаточно «прочные» по своей природе и ими легко манипулировать. Теперь сотрудники Института квантовой оптики Макса Планка (Max Planck Institute of Quantum Optics, MPQ) в Гархинге приблизились к тому, чтобы сделать фотоны пригодными для практической работы, например, для квантовых вычислений. Ученые определенным образом сгенерировали 14 запутанных фотонов с высокой эффективностью.
Как прошел эксперимент?
Особенность нового эксперимента в том, что ученые использовали один атом, чтобы добиться эмиссии фотонов и «переплести» их специфическим образом. Для этого сотрудники Института Макса Планка поместили атом рубидия в центр оптического резонатора — своего рода «эхо-камеру» для электромагнитных волн.
Экспериментальная установка с вакуумной камерой на оптическом столе. Фото: MPQ
С помощью лазерного излучения определенной частоты они точно определили состояние атома. Используя дополнительный импульс, ученые также специально вызвали эмиссию фотона, которая связана с квантовым состоянием атома.
В ходе эксперимента ученые повторили этот процесс несколько раз. В промежутках атомом манипулировали определенным образом — проще говоря, «вращали». Таким образом физики создали цепочку из 14 частиц света, которые запутывались друг с другом за счет вращения атомов и приводились в нужное состояние.
На данный момент 14 взаимосвязанных частиц света — это самое больше количество запутанных фотонов, которые до сих пор генерировали в лаборатории.
Две возможности нового метода
Но не только количество запутанных фотонов очень важно для разработки мощных квантовых компьютеров — способ их генерации также сильно отличается от обычных методов.
«Поскольку цепочка фотонов возникла из одного атома, ее можно было произвести детерминированным образом», — объясняют ученые в пресс-релизе к новому исследованию. Это значит, что, в принципе, каждый импульс действительно доставляет фотон «на место» с нужными свойствами.
До сих пор запутывание этих частиц обычно происходило в специальных нелинейных кристаллах. Проблема в том, что там частицы света создаются случайным образом и не поддаются контролю. В итоге это ограничивает количество частиц, которые можно объединить в коллективном взаимодействии.
Установка оптического резонатора в вакууме. Одиночный атом рубидия захвачен между зеркалами конической формы внутри держателя. Фото: MPQ
С другой стороны, метод, который разработали в ходе нового исследования, позволяет генерировать практически любое количество запутанных фотонов. Кроме того, он очень эффективен. А, значит, его можно применить на практике в будущем. Так, ученые измерили образующуюся цепочку фотонов и доказали ее 50-процентную эффективность.
Почти каждое второе «нажатие кнопки» на атоме рубидия доставляло пригодную для использования легкую частицу. В предыдущих экспериментах ученые не могли такого добиться. Новая работа устраняет давнее препятствие на пути к масштабируемым квантовым вычислениям на основе измерений, подчеркивают ученые.
Что дальше?
Теперь сотрудники MPQ хотят решить еще одну проблему квантового будущего. Например, сложные вычислительные операции потребуют по крайней мере двух атомов в качестве источников фотонов в резонаторе. «Мы уже работаем над решением этой задачи», — объясняют ученые в заявлении.
Сотрудники Макса Планка также заявили, что технологию можно применить не только для квантовых вычислений. Например, она пригодится в квантовой связи — передаче информации по оптоволокну с защитой от прослушивания. Из-за таких оптических эффектов, как рассеяние и поглощение, в оптоволокне свет «теряется» во ходе распространения. Это очень ограничивает расстояние, на котором могут передаваться данные.
Читать далее:
Солнечное пятно размером с Землю выросло в 10 раз за 2 дня: оно направлено на нас
Это «близнец» Земли в прошлом: найдена уникальная планета-океан недалеко от нас
Эйнштейн снова оказался прав: спустя полвека физики доказали стабильность черных дыр