Переключатель для квантовых вычислений

Квантовые вычисления не станут распространенными, пока нельзя будет считать результаты. Исследователи из Корнельского университета сделали шаг вперед в этом направлении, создав устройство, которое может измерить присутствие нескольких фотонов без нарушения их состояния.

В эксперименте сильный луч света смешивается с очень слабым «сигнальным» лучом, содержащим менее чем 20 фотонов, таким способом, что фаза сильного пучка изменяется пропорционально количеству фотонов сигнального луча.

«В идеале нужно иметь возможность измерить присутствие одного фотона без разрушения состояния, – сказал проф. Алекс Гаета (Alex Gaeta). – Тем не менее, имеются интересные квантовые информационные алгоритмы, которые строятся на нескольких фотонах. Переключение светового луча с помощью одного фотона было бы эквивалентно вентилю в обычных электронных компьютерах».

В устройстве, созданном группой, используется новый тип оптоволокна, известного как фотонное волокно с запрещенной зоной (photonic bandgap fiber), которое состоит из полой сердцевины, окруженной ячейками из тонких стеклянных трубок. Ячейки действуют как дифракционная решетка, в результате взаимодействия с которой подавляются все длины волн, кроме узкого диапазона основной длины волны, заключая интенсивный свет в пределах сердцевины. Преимущество по сравнению с традиционным волокном заключается в том, что сердцевина может заполняться газом.

Исследователи заполнили сердцевину волокна длиной 9 см парами рубидия, чтобы использовать эффект Керра, при котором осциллирующее электромагнитное поле пучка света взаимодействует с электронами атомов газа, изменяя коэффициент преломления среды. Сигнальный луч изменяет коэффициент преломления паров рубидия достаточно сильно, чтобы изменить фазу сильного луча, который измеряется после выхода из оптоволокна. Процесс является недеструктивным в том смысле, что количество фотонов в сигнальном луче не изменяется. Изменяя интенсивность сигнального луча, то есть количества фотонов, исследователи получили фазовый сдвиг около 0,3 мрад на фотон, что подтвердило возможность определения одного фотона и использования устройства как счетчика фотонов. Изменение длины импульсов сильного луча показало, что система может иметь время отклика менее 5 нс, что позволяет модулировать сильный луч частотами до 50 МГц.

Подобные измерения выполнялись ранее на установке, охлажденной до криогенных температур, но исследователи отметили, что они выполнили их впервые при комнатной температуре.

Фотография поперечного сечения фотонного волокна с запрещенной зоной, сделанная с помощью электронного микроскопа. Тонкие стеклянные трубки, окружающие сердцевину, обеспечивают необходимую интерференцию, фокусируя энергию луча в пределах полой сердцевины