Нелинейная оптика прокладывает путь в квантовые вычисления

Сталкиваясь два луча света в большинстве случаев (в воде, воздухе, вакууме) проходят не взаимодействуя. Однако, в определенных кристаллических материалах, высокоэнергетичные фотоны, испускаемые достаточно мощными лазерами, вступают во взаимодействие между собой, приобретая особый набор свойств. Позволяя манипулировать фотонами, такие нелинейные оптические эффекты представляют интерес для ряда практических приложений в областях классической и квантовой физики.

В Северо-Западном Университете (Эванстон, штат Иллинойс), ученые нашли новый, более практичный, чем известные прежде, способ реализации нелинейных оптических эффектов на однофотонном уровне. Результаты их работы будут полезны для совершенствования квантовых вычислений, а также для ряда междисциплинарных направлений, таких как детектирование гравитационных волн и биологическая микроскопия.

Новый метод базируется на квантовом эффекте Зенона Элейского, названном в честь автора «парадокса стрелы». Две тысячи лет назад он сформулировал противоречащее здравому смыслу утверждение-апорию, что если стрела в полете в каждый фиксированный момент времени находится в определенной точке, то она не движется вовсе. Применяя этот принцип к системе нелинейных оптических резонаторов, ученые обнаружили, что одиночные фотоны могут активно взаимодействовать друг с другом, даже не совмещаясь полностью в реальном пространстве.

Статья «Photonic Nonlinearities via Quantum Zeno Blockade,» содержащая результаты исследования, вышла 28 мая в журнале Physical Review Letters.

Авторы предложили направлять волны в диск субмиллиметрового диаметра, сделанный из кристаллического материала с нелинейными свойствами. Индивидуальный фотон может распространяться по периферии диска приобретая такую интенсивность, что сопутствующий нелинейный эффект будет препятствовать проникновению в резонатор других фотонов. Такой тип взаимодействия позволяет реализовать квантовые затворы — базовый элемент крупномасштабных квантовых сетей.

В противоположность прочим методам, требующим громоздкого и сложного оборудования, а зачастую и охлаждения почти до абсолютного нуля, субмиллиметровый диск отлично функционирует в комнатных условиях.

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI