Cовременная электроника построена на принципах управления электрическими зарядами в электрическом поле. В то же самое время, компьютерные технологии, использующие управление не электронами, а фотонами, предлагают существенно более высокие скорости вычислений. Интернациональная группа исследователей разработала теоретический подход, который показывает возможность надежного управления одиночными фотонами.

Предлагаемая система может быть использована как квантовый переключатель при управлении перемещениями одиночных фотонов. В отличие от электронов, контроль и управление фотонами осуществить весьма сложно, поскольку скорость света очень высока и он практически не взаимодействует с другой материей. Это, в известной степени, ограничивает разработку полностью оптических компьютеров. С другой стороны, известно, что применение резонаторов дает возможность определенного контроля за направлением распространения света. Резонаторы представляют собой полость, ограниченную с двух сторон параллельными зеркалами с различным коэффициентом отражения, которые заставляют свет перемещаться туда и обратно, и только иногда, при определенных условиях, допуская его выход в определенном направлении.

Результаты работы, проводившейся под общим руководством японских ученых из системы научно-исследовательских институтов RIKEN, опубликованы в журнале Physical Review Letters в статье «Controllable Scattering of a Single Photon inside a One-Dimensional Resonator Waveguide» ( http://scitation.aip.org/…etabsServlet?…). Группа авторов из Японии, США и Китая рассмотрели цепь резонаторов, соединенных последовательно, таким образом, что фотоны распространяются вдоль общей оси. Система с двумя энергетическими уровнями была помещена в центр этого резонаторного волновода. Для облегчения взаимодействия света с двухуровневой системой, последняя подобрана таким образом, чтобы разность между энергетическими уровнями была близка к энергии фотона.

Схема затвора на одном фотоне. a). Фотоны (показаны красным цветом) распространяются вдоль оси связанных резонаторов (показаны голубым цветом). b). В зависимости от соответствия между энергией фотона и энергией двухуровневой системы, помещенной в один из резонаторов (показана зеленым цветом), фотон отражается или проходит дальше.

При полном соответствии между энергией фотона и разностью между энергетическими уровнями двухуровневой системы, последняя взаимодействует с фотоном, который будет отражен. В том случае, когда энергия фотона и разность энергетических уровней двухуровневой системы не совпадают, фотон будет пропущен в следующий резонатор и пройдет до конца волновода. Такая двухуровневая система с регулируемыми энергетическими уровнями и может быть использована в качестве затворя или переключателя, который регулирует распространение одиночного фотона точно так же, как транзистор регулирует перемещение электронов.

Для физической реализации такой двухуровневой системы исследователи предлагают использовать так называемые сверхпроводящие кьюбиты (q-биты) в сочетании со сверхпроводящими резонаторами, которые уже известны как волноводы (можно посмотреть, например, в трудах семинара «2nd Workshop on the Physics and Applications of Superconducting Microresonators»: http://www.sron.nl/index.php?…).

Разделение энергетических уровней кьюбитов управляемо и контролируемо и может быть осуществлено с помощью другого одиночного фотона. Таким образом, исследователи теоретически показали, что при правильном подборе параметров системы, переключение может быть осуществлено достаточно просто и предположили, что возможности современной технологии позволяют реализовать такое устройство материально.

Евгений Биргер