В результате эксперимента, используя поляризацию световых частиц, баварским исследователям удалось создать ключевое структурное звено для квантового процессора – логическую квантовую решетку, по которой информация передается от фотона к фотону.

Квантовый компьютер, над созданием которого бьются лучшие ученые мира, давно окрестили техникой будущего. Он даст фору в скорости традиционным вычислительным системам за счет того, что квантовые биты (кубиты) способны принимать значения "0" и "1" одновременно, поскольку могут пребывать сразу в нескольких квантовых состояниях. Однако загвоздка на пути создания машины будущего – в самой природе световых частиц (фотонов). Несмотря на интенсивность световых частиц, они многократно пересекаются в свободном пространстве, не вызывая никаких изменений. Причина в том, что фотоны не обладают зарядом и не могут посредством электромагнитных сил вступать в коммуникацию с себе подобными, а потому – и перерабатывать информацию, которую несут другие световые частицы.

Во всех современных компьютерах процесс переработки данных базируется на том, что информация сначала кодируется в бинарном виде, а потом перерабатывается с помощью логических операций. А происходит этот процесс с помощью так называемых логических решеток. Для квантовых вычислительных систем именно они также должны служить ключевым структурным элементом. Мировая физика давно ищет пути создания такого рода решетки – по которой информация передается от фотона к фотону, позволяя каждому квантовому биту (кубиту) воздействовать на "собратьев". И одна из возможностей кодировки фотонных кубитов – использование состояния поляризации отдельных фотонов. Именно по этому пути пошли немецкие физики.

Для своего эксперимента баварские исследователи из Института квантовой оптики общества им. Макса Планка задействовали всего два фотона, каждый из которых является носителем одного кубита информации. Эти световые частицы одну за другой отправили в резонатор, сконструированный из двух зеркал с высочайшей отражающей способностью, расположенных на расстоянии полмиллиметра друг от друга. Оказалось, что для взаимодействия световых частиц требуется посредник. В качестве такового ученые использовали единичный атом рубидия, который зафиксировали в резонаторе с помощью лазерного луча.

Во время эксперимента на месте атома резонатор настолько усилил световое поле привнесенного извне фотона, что взаимодействие двух световых частиц стало возможным. Фотон повлиял на состояние атома в тот момент, когда отразился в зеркале. А в результате на это измененное состояние атома отреагировала и вторая задействованная в эксперименте световая частица. "Вращение плоскости поляризации первого фотона позволило воздействовать на него другому фотону. И хотя обе частицы никогда не оказываются одновременно в одном месте, мы добились максимального взаимодействия между ними", – рассказывает участник эксперимента, физик Бастиан Хакер (Bastian Hacker). С помощью своего опыта испытатели доказали, что, в зависимости от выбора поляризации для обоих фотонов, происходит воздействие одного из них на своего "собрата". Но универсальной квантовой решеткой созданная баварскими физиками система, по словам Хакера, станет только тогда, когда и второй фотон сможет в обратном направлении передавать информацию первому.

Особый интерес для ученых представляет случай, когда поляризация фотонов выставлена таким образом, что они взаимно влияют друг на друга. В этом случае световые частицы перекрещиваются. "Эта возможность образования скрещивания принципиально отличает квантовую решетку от своего классического аналога. Перекрещенные фотоны могут быть использованы, например, для телепортации квантовых состояний", – объясняет член команды исследователей Штефан Вельте (Stephan Welte).

Немецкие ученые рассчитывают, что с помощью созданной ими квантовой логической рсхемы в будущем можно будет осуществлять переработку квантовой информации исключительно оптическим способом. "Распределение фотонов через оптическую квантовую сеть позволит подключить к системе любое количество узлов и создать квантовый компьютер, в котором эта решетка будет служить в качестве центрального процессора", – планирует глава группы исследователей, профессор Герхард Ремпе (Gerhard Rempe). Ученый убежден, что создание квантового процессора однозначно принесет практическую пользу. Ведь пока квантовую информация можно передавать только в формате фотонов, а если научиться еще и перерабатывать ее с помощью световых частиц, то отпадет необходимость в других носителях, – таких как, например, атомы.

Арина Попова