История вычислительной техники, которую мы сейчас называем просто сервер или компьютер, началась много веков назад. С течением времени и развитием технологий совершенствовались и компьютеры. Улучшалась производительность, скорость работы и даже внешний вид. Любой компьютер в своей основе реализует определенные законы естественных наук, таких как физика и химия. Углубляясь в любую из этих наук, исследователи находят новые и новые пути совершенствования вычислительных систем. Сегодня мы будем знакомиться с исследованием, нацеленным на реализацию применения фотонов в квантовых компьютерах. Поехали.

Теоретическая основа

Словосочетание «квантовый компьютер» уже перестало быть шокирующим, хоть и звучит как научная фантастика. Однако ничего фантастического в нем нет, по крайней мере с литературной точки зрения. Квантовый компьютер эксплуатирует квантовую суперпозицию и квантовую запутанность. Простыми словами говоря, квантовая суперпозиция это явление, когда квантовые состояния системы взаимоисключаются. Если говорить не о частицах, о чем-то «покрупнее», то можно упомянуть кота Шредингера.

Немного про кота Шредингера

Данный теоретический эксперимент был описан самим Шрёдингером довольно подробно и сложно, в какой-то степени. Упрощенный вариант звучит так: Есть стальная коробка. В коробке кот и механизм. Механизм — счетчик Гейгера с очень малым количеством радиоактивного вещества. Данное вещество так мало, что за 1 час может распасться 1 атом (а может и не распасться). Если это происходит, то считывающая трубка счетчика разряжается и срабатывает реле, освобождающее молоток, который висит над колбой с ядом. Колба разбивается, и яд убивает кота.

Иллюстрация эксперимента

Теперь пояснение. Мы не видим что происходит в коробке, мы не можем повлиять на процесс даже своими наблюдениями. Пока мы не откроем коробку, мы не знаем жив кот или мертв. Таким образом, утрируя, можно сказать, что для нас кот в коробке находится в двух состояниях одновременно: он и жив, и мертв.

Очень интересный эксперимент, раздвигающий границы квантовой физики.

Еще более необычным можно считать парадокс Вигнера. К всем вышеуказанным переменным эксперимента добавляются некие друзья лаборанта, что проводит данный эксперимент. Когда он открывает коробку и узнает точное состояние кота, его товарищ, находясь в другом месте, этого состояния не знает. Первый должен сообщить второму, что кот жив или мертв. Таким образом, пока все во Вселенной не будут знать точного состояния бедного животного, оно будет считаться и мертвым, и живым одновременно.

Что касается квантовой запутанности, то тут состояния двух или более частиц зависят друг от друга. То есть, говоря о тех же фотонах, если изменение спина одной частицы приводит к тому, что она становится положительной, то вторая автоматически становится отрицательной, и наоборот. При этом измерив состояние первой частицы, мы мгновенно лишаем вторую частицу состояния квантовой запутанности.

Оперирует квантовый компьютер не битами, а кубитами, отличающихся от первых тем, что одновременно могут находиться в двух состояниях — 0 и 1. Это позволяет обрабатывать информацию значительно быстрее.

С фотонами все чуть проще. Фотон это «частичка света», если говорить очень утрировано. Более научное определение это элементарная частица электромагнитного излучения, способная переносить электромагнитное взаимодействие.

Обратная сторона медали

Фотоны являются отличными переносчиками квантовой информации, однако отсутствие *детерминистской** взаимосвязи фотон-фотон ограничивает их применение в квантовых компьютерах и сетях.

Детерминистские системы * это системы, процессы в которых взаимосвязаны таким образом, что можно отследить причинно-следственную последовательность. Другими словами, это системы, где входящие данные (к примеру задачи) полностью соответствуют исходящим данным (результат решения).

Данное исследование возможно и не состоялось бы вовсе, если бы не недавние открытия в области взаимодействия свет-материя посредством нейтральных захваченных атомов, которые позволили использовать *оптические нелинейности** в однофотонном режиме.

Оптическая нелинейность * объясняется нелинейной реакцией вектора поляризации на вектор напряженности электрического поля световой волны. Наблюдать подобное можно при использовании лазеров, так как они могут генерировать луч высокой интенсивностью света.Оптическая нелинейность на примере генерация второй оптической гармоники (second harmonic wave)

Данная техника сопряжена с проблемами реализации устройств в компактном виде, поскольку для ее реализации требуются весьма габаритные и крайне сложные в настройке лазерные ловушки. К тому же нейтральные атомы работают с низкой пропускной способностью.

Другой вариант, который также пока отложен в долгий ящик, это системы на базе нелинейной квантовой электродинамики. Поскольку такие системы работают исключительно в микроволновом режиме, а перевести их в оптический режим крайне проблематично.

Другие же исследователи решили копнуть еще глубже, практически буквально. Использование нанофотонных систем, в которых фотоны взаимодействуют с нанометровыми элементами (в данном случае с квантовыми эмиттерами) является весьма привлекательным способов реализации однофотонной нелинейности в компактных твердотельных устройствах. Однако пока что в подобных экспериментах используются эмиттеры, представленные двухуровневой атомной системой, ограниченной компромиссом между пропускной способностью и задержкой, что делает реализацию однотонных переключателей невозможной.

Как вывод, все предыдущие исследования имели определенные положительные результаты, которые, к сожалению, были сопряжены с теми или иными проблемами реализации или же взаимодействия систем.

Основы исследования

В данном же исследовании продемонстрирован однофотонный переключатель и транзистор, реализованные посредством сопряжения твердотельного квантового кубита и нанофотонного резонатора.

Одним из основных элементов эксперимента является спиновый кубит, состоящий из единственного электрона в заряженной *квантовой точке**.

Квантовая точка * (или «искусственный атом») — частица полупроводника. Из-за крайне малого размера ее оптические и электронные свойства сильно отличаются от подобных у более крупных частиц.

Изображение №1а

На изображении 1а продемонстрирована структура уровня квантовой точки, включающая два *основных состояния** с противоположными спинами, что формирует стабильную квантовую память. Эти состояния помечены так: |↑⟩ и |↓⟩.

Основное состояние * — в квантовой механике это стационарное состояние, когда уровень энергии и другие величины не изменяются, с наименьшей энергией.

Также на изображении отмечены и состояния *возбуждения, которые содержат пару электронов и одну *дырку с противоположными спинами. Обозначаются так: |↑↓,⇑⟩ и **|↑↓, ⇓⟩ **.

Возбуждение * — обозначает переход системы из основного состояния в состояние с более высокой энергией.

Дырка * — квазичастица, носитель положительного заряда, равного элементарному заряду, в полупроводниках.

Изображение №1b

Изображение 1b это снимок изготовленного нанофотонного резонатора, сделанный сканирующим электронным микроскопом. Посредством эксплуатации *эффекта Фогта** было получено спин-зависимое соединение за счет применения магнитного поля (5.5 Тл) по плоскости устройства.

Фогта эффект * — возникновение двойного лучепреломления электромагнитной волны во время ее распространения в твердых телах.

За счет измерений кросс-поляризованной отражательной способности удалось также определить силу соединения (g), скорость распада энергии нанофотонного резонатора (к) и декогерентного дипольного перехода (y):

• g/2π=10.7±0.2 ГГц
• к/2π=35.5±0.6 ГГц
• y/2π=3.5±0.3 ГГц

При этом g>к/4 — условие, определяющее что устройство перешло в режим сильной и стабильной связи.

Изображение №1с

На изображении 1с (сверху слева) графически продемонстрированы принципы работы однофотонного переключателя и транзистора. Как мы видим, если затворный импульс не содержит фотонов, то спин остается в положении «вниз». Если же присутствует один фотон, то спин переходит в положение «вверх». Как следствие спиновое состояние контролирует коэффициент отражения нанофотонного резонатора, тем самым изменяя поляризацию фотонов отраженного сигнала.

Вся последовательность импульсов показана на изображении 1с (снизу). Теперь давайте чуть подробнее о каждом шаге.

• В начале имеется квантовая точки в суперпозиции ее основного спинового состояния. Вычисляется с помощью формулы (|↑⟩ + |↓⟩)/√2. Достигается это путем применения импульса инициализации для оптической накачки спина, что переводит его в состояние «вниз».
• Далее применяется оптический ротационный импульс, создающий спиновое вращение π/2.
• В течение некоторого времени (τ) система свободно развивается.

Если это время установить как целое число + половина периода процессии спина, тогда при отсутствии затворного фотона спин будет переходить в состояние (|↑⟩ — |↓⟩)/√2, а второй ротационный импульс переведет спин обратно в состояние «вниз». Если же затворный фотон отражается от резонатора, то он формирует относительный π-фазовый сдвиг между состояниями «вверх» и «вниз», который отражает спин вдоль оси (x) сферы Блоха *. Таким образом второй ротационный импульс будет переводить спин в состояние «вверх».

• Применяется еще один ротационный импульс, идентичный первому.
• Между этими двумя импульсами внедряется затворный импульс.

Сфера Блоха * — в квантовой механике используется как способ геометрического представления пространства состояния кубита.

• В конце процесса поле сигнала отражается от резонатора и подвергается вращению поляризации, которое напрямую зависит от состояния спина.

Изображение №2а

На графике выше продемонстрирован коэффициент пропускания сигнального поля, проходящего через поляризатор, в виде функции (τ) при отсутствии затворного импульса.

Контрастность пропускания определяется формулой: δ = Т_up — T_down

Где Т_up и T_down — коэффициенты пропускания поля сигнала в моменты перехода спина в состояние «вверх» (up) и «вниз» (down) с применением двух ротационных импульсов, соответствующих максимальному и минимальному значению коэффициента пропускания в колебании.

Константное значение δ = 0.24 ± 0.01. Оно сильно отличается от идеального из-за неточного состояния спина F = 0.78 ± 0.01 и из-за ограниченной кооперативности С = 2g² / ky = 1.96 ± 0.19.

Изображение №2b

График 2b демонстрирует случай, когда применяется 63-ps импульс, содержащий примерно 0.21 фотонов на 1 импульс, связанных с резонатором. Дабы убедиться в том, что один фотон регулирует коэффициент пропускания, были проведены измерения двухфотонного совпадения между затворным и сигнальным фотонами.

Зеленые точки — измеренный коэффициент пропускания сигнала, обусловленный обнаружением отраженного затворного фотона как функции (τ).

Зеленая линия — числовое соответствие модели, отображаемой на графике 2а.

Вертикальная линия (а) на графиках 2а и 2b это обозначение состояния, когда спин подвергается полуцелому числу вращений вокруг сферы Блоха во время периода свободного развития. В такой ситуации затворный фотон приводит к тому, что поляризация сигнального поля начинает вращаться и перенаправляться через поляризатор.

Вертикальная линия (b) на графиках 2а и 2b это отображение второго рабочего состояния, при котором возможно выполнение операций переключения. В данном варианте наблюдается поведение обратного переключения, когда затворный фотон предотвращает вращение сигнального поля, тем самым уменьшая коэффициент пропускания.

В обоих случаях затворный импульс вызывает изменения коэффициента пропускания сигнала на 0.21 ± 0.02. Чтобы считать затворный фотон идеальным, этот показатель должен быть равен 0.24, как было определено в вычислениях, продемонстрированы на графике 2а. В случае с реальным экспериментом показатели хуже ввиду использования аттенуированного (с затухающим колебанием) лазера для создания затворного импульса, который, хоть и маловероятно, но может содержать несколько фотонов.

Изображение №2с

График выше отображает коэффициент пропускания в виде функции времени задержки (τ), когда среднее значение сигнальных фотонов на 1 импульс выставлено на 4.4 ± 0.5 (вверху), 10.9 ± 1.2 (посередине), 23.0 ± 2.5 (снизу).

Зеленые точки — коэффициент пропускания, обусловленный обнаружением затворного фотона.

Оранжевые квадраты — коэффициент пропускания без затворного импульса.

Зеленые и оранжевые линии — числовое соответствие теоретическим моделям из графиков 2а и 2b.

Во всех случаях отчетливо наблюдается поведение переключения.

Подсчеты контраста переключения (ξ) дали следующие результаты: 0.22 ± 0.03, 0.17 ± 0.02 и 0.12 ± 0.02, в соответствии с каждым графиком.

Основная проблема, связанная с контрастом переключения, это его снижение при увеличении числа сигнальных фотонов. Это обусловлено тем, что каждый сигнальный фотон может обратным образом воздействовать на спин через комбинационное рассеяние света (*эффект Рамана**). Это приводит к сбросу состояния внутренней квантовой памяти.

Эффект Рамана * — неупругое рассеяние оптического излучения, когда частицы сталкиваются, что приводит к изменению их состояния, формированию новых частиц, превращением в другие или рождением новых частиц.

Изображение №3

На графике 3а синие точки показывают измеренный контраст пропускания, когда затворного импульса нет, в виде функции среднего числа фотонов в сигнальном поле. Это показатель степени самостоятельного переключения, спровоцированного сигналом без затвора. Синими линиями обозначается численное соответствие данных экспоненциальной функции вида exp(-N_s /N_avg), где N_avg это среднее число сигнальных фотонов, необходимых для изменения положения спина. Подсчеты показали, что N_avg = 27.7 ± 8.3.

Еще одним важным свойством транзисторов является коэффициент передачи (G). График 2b (синие точки) демонстрирует рост данного показателя. Исследователям удалось достичь G = 3.3 ± 0.4 при количестве фотонов N_s = 29.2 ± 3.2.

Более детальная информация касательно данного исследования, а также методы проведения вычислений изложены в отчете, доступном по ссылке. Настоятельно рекомендую к ознакомлению.

Эпилог

На данный момент самым большим препятствием в процессе реализации полноценного устройства на базе данного исследования является потеря фотонов. Однако ученые утверждают, что эту проблему удастся решить. Не им, так другим ученым. На данный момент ведется множество исследований, нацеленных на оптимизацию квантовых устройств, в основе которых будут именно фотоны. Эти исследования, в том числе и рассмотренное сегодня, накапливают теоретическую базу, подкрепленную экспериментальным путем. За теорией всегда следует практическая реализация. Но это возможно лишь при достижении критической массы знаний, которые позволят полноценно реализовать ту или иную идею. Первые шаги уже сделаны. Да, эти шаги небольшие, но их делают многие ученые по всему миру, каждый в своем направлении. И хоть их пути разнятся, но пункт назначения этого невероятно сложного, и в то же время увлекательного пути, один.