Оптический квантовый транзистор на одном атоме

Вследствие продолжающейся миниатюризации компонентов компьютерных чипов индустрия находится на пороге фундаментальных ограничений, когда технологии могут использовать законы макроскопического мира. Поэтому повсеместно ведутся исследования в области технологий, базирующихся на квантовых эффектах, которые могут быть использованы для связи и обработки информации.

Одной из наиболее многообещающих разработок в этом направлении являются квантовые сети, в которых единичные фотоны передают данные между различными узлами, например, единичными атомами. В них данные могут быть сохранены и обработаны. Ключевым элементов в таких системах является электромагнитно индуцированная прозрачность (EIT), эффект, который позволяет радикально изменить оптические свойства атома с помощью света. Ранее ученые исследовали этот эффект и его удивительные свойства на атомных ансамблях, состоящих из сотен и тысяч атомов.

Теперь ученые из группы проф. Герхарда Ремпе (Gerhard Rempe), директора Института квантовой оптики им. Макса Планка, научились управлять оптическими свойствами одного атома, используя излучение лазера.

Электромагнитно индуцированная прозрачность описывает эффект, при котором взаимодействие атома со слабым лазерным излучением может быть управляемо с помощью второго сильного лазерного излучения. Практически это достигается облучением среды двумя лазерными лучами: действие сильного управляющего лазера делает среду прозрачной для слабого зондирующего луча. Свойства, полученные с помощью EIT, позволяют хранить и воспроизводить данные между атомами и импульсами света, обеспечивая таким образом мощный интерфейс между фотонами и стационарными атомами.

В эксперименте атом рубидия захватывался внутрь высокодобротного оптического резонатора для того, чтобы усилить взаимодействие между атомом и светом, поскольку атом и резонатор образуют систему с сильной связью. Измерялось прохождение луча зондирующего лазера через резонатор по его оси. При отсутствии внутри резонатора атома лазерный луч проходил сквозь него. Присутствие же атома вызывало отражение луча, и прозрачность исчезала. В присутствие дополнительного управляющего лазерного луча большой интенсивности, направленного перпендикулярно оси резонатора, прозрачность восстанавливалась. Эффективно один атом действовал как квантовый оптический транзистор с двумя состояниями.

В присутствии атома свет зондирующего лазера отражается (логический ноль). При воздействии управляющего луча атом становится прозрачным (логическая единица).