В России создан интерфейс для работы с квантовой информацией

Ученые из России и США создали основу будущих квантовых компьютеров

«Квантовая оптика»

Одна из важных задач квантовой фотоники — построение интерфейса между светом и атомами. Взаимодействие одиночных квантовых объектов с фотоном изучает совместная исследовательская группа специалистов Физического института им. П. Н. Лебедева РАН и Гарвардского университета (США), создавшая прототип прибора — интегрированный чип на одном искусственном атоме, имеющий волоконный выход. Устройство может передавать квантовую информацию с атома на фотон. Простейший вариант будущего прибора — ячейка памяти, более сложный — однофотонный транзистор, работающий на уровне единичных квантов. Из таких транзисторов можно будет строить более сложные элементы логики.

• Задача группы — построение интерфейса между светом и атомами (или искусственными атомами). Интерфейс — это способ эффективно, без потерь, передавать информацию с одного объекта на другой. Добиться этого — значит, научиться создавать в системе некоторое заданное состояние (суперпозицию), считывать его неразрушающим образом и передавать на другой объект.

Суперпозиция двух или более энергетических состояний атома, которые можно с определенной вероятностью зарегистрировать, и представляет собой квантовую информацию. Она передаётся свету (носителем её является отдельный фотон), который, в свою очередь, надёжно детектируется.

• Иначе говоря, речь идёт о канале передачи квантовой информации от ячейки памяти к другой ячейке либо к выводящему устройству.

Систему, работающую с квантовой информацией, «удобно» строить на атомах. Атом может служить универсальной ячейкой памяти для суперпозиционного состояния, так как слабо взаимодействует с внешним миром и какое-то время хранит эту информацию.

• Российско-американская группа уже разработала интерфейс с искусственными атомами — квантовыми точками и центрами окраски в алмазе (структурами в кристаллической матрице алмаза, где атом углерода замещён атомом азота). Они имеют строение энергетических уровней, подобное атомному, и в них можно создавать суперпозиционное состояние. Искусственные атомы, особенно центры окраски в алмазе, обладают памятью с длительным временем хранения. Время жизни спина их ядра — около секунды. Это, конечно, не жесткий диск, но для оперативной памяти вполне прилично, поскольку операции могут совершаться за микросекунды.

Устройство представляет собой кремниевый чип с объектами на нём. Роль искусственного атома выполняет содержащий центр окраски кристалл алмаза размером 50×50 нм, размещённый на серебряной проволочке диаметром 100 нм, скомбинированной с проводящим свет диэлектрическим волноводом. Эксперимент происходит при комнатной температуре. Для наблюдений используется специально построенный конфокальный микроскоп, один канал которого служит для получения изображения области образца: с его помощью находятся нужный объект и интересная точка на нём. Затем в эту точку фокусируется лазерное излучение, под действием которого центр окраски выдаёт одиночные регистрируемые фотоны. Другой канал сканирует окружающее пространство и собирает информацию с каждой светящейся точки, будь то конец проволоки или волновода. Возбуждающий луч можно перемещать по образцу и собирать излучение с разных центров.

.

«Нам удаётся достаточно стабильно и повторяемо получать работающие образцы, — рассказывает старший научный сотрудник лаборатории оптики активных сред ФИАНа, кандидат физико-математических наук Алексей Акимов. — Центры окраски алмаза излучают в проволоку. Проволочка замечательна тем, что это одномерный объект — а значит, фотон в ней распространяется направленно, и его можно перевести в волновод. Волновод же можно соединить с обычным волокном. Мы умеем регистрировать одиночные фотоны и считать корреляционные функции. Получился реальный прибор на одном искусственном атоме — интегрированный чип с волоконным выходом».

Пока учёные ловят не 100% излучаемых фотонов, а лишь 60; впрочем, сделать больше пока не может никто. Ограничение это не фундаментальное, уточняют исследователи, а технологическое, и пути для его преодоления в принципе ясны. Хотя это будет очень сложно.

«Сейчас мы пытаемся расширить эту идею и сделать из проволочки резонатор, — поясняет Алексей Акимов. — Рассматриваются не только металлические нанопроволоки, но и диэлектрические — точнее, полупроводниковые с большим показателем преломления. Резонатор повышает вероятность взаимодействия атома со светом, а следовательно, и вероятность излучения в проволочку».

• Эти работы должны привести к созданию целого ряда приборов, связанных с передачей квантовой информации. В простейшем случае это ячейка памяти, в более сложном — регистр на нескольких атомах. Вполне возможно, будет построен однофотонный транзистор, имеющий как минимум три канала; он сможет переключать сигнальные фотоны по команде управляющего — одним фотоном переключать множество фотонов. Из таких транзисторов затем будут формироваться более сложные элементы однофотонной логики, а это новые технологии для линий связи и для потенциальных разработок квантовых компьютеров.

Подготовлено по материалам Физического института им. П. Н. Лебедева РАН

Линус Торвальдс

http://science.compulenta.ru/571254/