Управление единичным фотоном для квантовых вычислений

Фотоны могут использоваться в квантовых компьютерах, однако манипулировать ими весьма затруднительно. Две работы, выполненные в NIST, приблизили возможность создания надежных источников фотонов для квантовых вычислений.

В новых работах решена одна из многих проблем, затрудняющих построение практического квантового компьютера: наличие устройства, которое производит фотоны в нужных количествах, но только по одному за раз и только тогда, когда процессор готов их получать. Так же как и ошибка в передаче данных может привести к нарушению работы обычного компьютера, несущий информацию фотон, поступивший в процессор вместе с другим, или в момент, когда процессор не готов, может привести нарушению вычислений.

Однофотонный источник был труднодоступен в течение почти двух десятилетий, в частности потому, что не существовало идеального метода индивидуального генерирования этих частиц.

Первая работа ученых решила проблему поступления фотона в процессор в нужное время. Много видов однофотонных источников создают пары фотонов и посылают один из них на детектор, который сообщает процессору, что второй, информационный фотон, на пути к нему. Но так как детекторы не абсолютно точны, иногда они «теряют» фотон-вестник, и его двойник «обманывает» процессор.

Команда предложила решить эту проблему с помощью создания простого шлюза в источнике. Когда фотон-вестник попадает в детектор, шлюз открывается, позволяя пройти второму фотону. «Это было очевидное решение, которое давно предлагалось, однако мы были первыми, кто его реализовал», - сказал Ален Мигдал (Alan Migdall) из Дивизиона оптических технологий NIST.

Во второй работе ученые описали источник фотонов, который удовлетворяет двум другим требованиям. Дело в том, что квантовым компьютерам нужны много таких источников, работающих параллельно. Однако для того чтобы компьютер мог обрабатывать каждый из них отдельно, источники должны создавать множество индивидуальных фотонов, но с разными длинами волн. Команда описала способ создания такого источника из кремния. «Обычно только редкий материал может продуцировать пары со специфическими длинами волн, но наша разработка позволяет генерировать фотоны различных длин волн одновременно из одного источника», - сказал Мигдал.

Источник фотонов со шлюзом запускается лазерным лучом с длиной волны 532 нм, который падает на кристалл (зеленое пятно в центре), превращаясь в пары фотонов с длинами волн 810 нм (показанный для ясности синим) и 1550 нм (инфракрасный, но показан красным). «Синий» пучок – канал-вестник, «красный» проходит через оптоволокно для необходимой задержки

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365