Предложен переключатель, который позволяет одному фотону изменять квантовое состояние другого

Квантовые компьютеры пока остаются по большей части теоретически возможными устройствами. Наиболее перспективным считается построение квантовых компьютеров на основе ионов, помещенных в электрические поля. Квантовые частицы обладают свойством суперпозиции, т.е. если один классический бит может находиться в одном и только в одном из состояний 0 или 1, то кубит – в определенном смысле в двух этих состояниях одновременно. Поэтому 16 кубитов могут иметь 64 тыс состояний. Правда, суперпозиция состояний весьма нестабильна – любое взаимодействие с внешней средой может привести к переходу в одно из возможных состояний. Применение вместо ионов фотонов сулит множество преимуществ (они более устойчивы к внешним воздействиям чем субатомные частицы), но имеет существенные недостатки – ими сложнее управлять и их сложно заставить взаимодействовать (два фотона, соударяющихся а вакууме просто проходят друг через друга).

Группа ученых Массачусетского технологического института и Гарвардского университета под руководством профессора Владана Вулетича (Vladan Vuletic) разработала оптический переключатель, состоящий из кластера атомов цезия, размещенных между двумя микрозеркалами в вакууме. Как подчеркивают разработчики, единственный способ заставить один фотон взаимодействовать с другим – использовать в качестве посредника атом. Когда фотон попадает в вакуумную ловушку, он начинает двигаться между зеркалами, отражаясь от них и проходит через атом цезия, до 40 тыс раз, результатом чего является задержка эмиссии света. Если затем в стек атомов цезия попадает второй фотон, из-за возбужденного состояния атомов цезия, задержка его светоэмиссии будет еще большей. Таким образом, на выходе из ловушки второй фотон может иметь два состояния – с задержкой или большой задержкой, в зависимости от того, предшествовал ли ему иной фотон. В зависимости от состояния первого фотона задержка второго может варьироваться.

На сегодня, отмечают разработчики, разница между состояниями второго фотона не слишком велика и ее непросто идентифицировать. Но если удастся увеличить задержку, переключатель будет иметь множество разных приложений, как для квантовых компьютеров, так и для квантовой криптографии, квантовых аналогов последовательных телекоммуникаций, квантового Интернета, пр.

Результаты работы опубликованы в журнале Science.