Физики эффективно запутывают более дюжины фотонов
Физикам из Института квантовой оптики Макса Планка удалось эффективно и определенным образом запутать более дюжины фотонов. Таким образом, они создают основу для нового типа квантового компьютера. Их исследование опубликовано в Nature.
Установка оптического резонатора в вакууме. Одиночный атом рубидия захвачен между зеркалами конической формы внутри держателя.
Явления квантового мира, которые часто кажутся причудливыми с точки зрения обычного повседневного мира, давно нашли свое применение в технике. Например, запутанность: квантово-физическая связь между частицами, которая странным образом связывает их на сколь угодно больших расстояниях. Его можно использовать, например, в квантовом компьютере — вычислительной машине, которая, в отличие от обычного компьютера, может выполнять множество математических операций одновременно. Однако, чтобы использовать квантовый компьютер с выгодой, большое количество запутанных частиц должно работать вместе. Это базовые элементы для вычислений, так называемые кубиты.
«Фотоны, частицы света, особенно хорошо подходят для этого, потому что они прочны по своей природе и ими легко манипулировать», — говорит Филип Томас, аспирант Института квантовой оптики Макса Планка (MPQ) в Гархинге недалеко от Мюнхена. Вместе с коллегами из отдела квантовой динамики под руководством профессора Герхарда Ремпе ему удалось сделать важный шаг к тому, чтобы сделать фотоны пригодными для технологических приложений, таких как квантовые вычисления: впервые команда сгенерировала до 14 запутанных фотонов в определенным образом и с высокой эффективностью.
Один атом как источник фотонов
«Хитрость этого эксперимента заключалась в том, что мы использовали один атом , чтобы излучать фотоны и переплетать их очень специфическим образом», — говорит Томас. Для этого исследователи Макса Планка поместили атом рубидия в центр оптического резонатора — своего рода эхо-камеру для электромагнитных волн. С помощью лазерного излучения определенной частоты можно было точно определить состояние атома. Используя дополнительный управляющий импульс, исследователи также специально вызвали испускание фотона, связанного с квантовым состоянием атома.
Экспериментальная установка с вакуумной камерой на оптическом столе.
«Мы повторили этот процесс несколько раз и заранее определенным образом», — сообщает Томас. В промежутках атомом манипулировали определенным образом — на техническом жаргоне: вращали. Таким образом можно было создать цепочку из до 14 световых частиц , которые запутывались друг с другом за счет вращения атомов и приводились в нужное состояние. «Насколько нам известно, 14 взаимосвязанных световых частиц представляют собой наибольшее количество запутанных фотонов, которые до сих пор генерировались в лаборатории», — говорит Томас.
Детерминированный процесс генерации
Но не только количество запутанных фотонов знаменует собой важный шаг на пути к разработке 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», — объясняет Томас. Это означает: в принципе, каждый управляющий импульс действительно доставляет фотон с нужными свойствами. До сих пор запутывание фотонов обычно происходило в специальных нелинейных кристаллах. Недостаток: там частицы света создаются случайным образом и не поддаются контролю. Это также ограничивает количество частиц, которые могут быть объединены в коллективное состояние.
Установка оптического резонатора в вакууме. Одиночный атом рубидия захвачен между зеркалами конической формы внутри держателя.
С другой стороны, метод, используемый командой Гархинга, позволяет генерировать практически любое количество запутанных фотонов. Кроме того, метод особенно эффективен — еще одна важная мера для возможных технических применений в будущем: «Измеряя образующуюся цепочку фотонов, мы смогли доказать эффективность почти 50%», — говорит Филип Томас. Это означает, что почти каждое второе «нажатие кнопки» на атоме рубидия доставляло пригодную для использования легкую частицу — гораздо больше, чем было достигнуто в предыдущих экспериментах. «В целом наша работа устраняет давнее препятствие на пути к масштабируемым квантовым вычислениям на основе измерений», — говорит директор отдела Герхард Ремпе.
Больше места для квантовой связи
Ученые MPQ хотят устранить еще одно препятствие. Например, сложные вычислительные операции потребуют по крайней мере двух атомов в качестве источников фотонов в резонаторе. Квантовые физики говорят о двумерном кластерном состоянии. «Мы уже работаем над решением этой задачи», — говорит Филип Томас.
Исследователь Макса Планка также подчеркивает, что возможные технические приложения выходят далеко за рамки квантовых вычислений: «Еще одним примером применения является квантовая связь» — передача информации с защитой от прослушивания, например, с помощью света в оптическом волокне. Там свет испытывает неизбежные потери во время своего распространения из-за оптических эффектов, таких как рассеяние и поглощение, что ограничивает расстояние, на которое могут передаваться данные. Используя метод, разработанный в Гархинге, квантовая информация может быть упакована в запутанные фотоны, а также может выдерживать определенную потерю света и обеспечивать безопасную связь на больших расстояниях.
