Квантовые компьютеры (компьютеры, действующие на основе квантовой логики) потенциально способны работать со значительно более высокой скоростью по сравнению с современными – электронными.

Одни из самых важных возможных применений квантовых компьютеров – шифрование и поиски информации в огромных базах данных. Такие компьютеры будут нуждаться в соответствующих вспомогательных системах, в частности, запоминающих устройствах.

Подобные ЗУ в принципе могут хранить информацию, записанную во многих формах, в частности, в виде зрительных образов. Законы квантовой механики позволяют создавать изображения одного и того же объекта с помощью сигналов, обладающих куда большим сходством друг с другом, нежели это возможно с точки зрения классической физики. Однако для материализации подобных устройств ученые считают необходимым «разобраться» с квантовой запутанностью (Entanglement) сигналов, эффектом, который и должен способствовать скоростной обработке информации. Группа исследователей Национального Института Стандартов и Технологии США (National Institute of Standards and Technology – NIST) и Университета штата Мэриленд (University of Maryland) продемонстрировали работу так называемого «квантового буфера» – устройства буферной памяти – которое может оказаться необходимым для работы квантовых компьютеров. Результаты работы опубликованы в журнале Nature (A.M. Marino, R.C. Pooser, V. Boyer, and P.D. Lett. Tunable Delay of Einstein-Podolsky-Rosen Entanglement. Nature. Feb. 12, 2009).

Устройства памяти квантовых компьютеров могут хранить информацию, записанную во многих формах, в частности, в виде зрительных образов. Законы квантовой механики позволяют создавать изображения одного и того же объекта с помощью сигналов, обладающих куда большим сходством друг с другом, нежели это возможно с точки зрения классической физики. Именно такие квантовые картинки принято называть «запутанными».

Сравнительно недавно были опубликованы результаты эксперимента той же самой группы американских физиков, которой руководит Пол Летт (Paul Lett). В ходе этого эксперимента удалось получить именно такие квантовые «фотографии». Ученые воспользовались простой, но очень эффективной оптической техникой, которую называют четырехволновым смешиванием. Она позволяет создавать пары спутанных изображений одного и того же предмета с помощью лазерных лучей различной интенсивности, проходящих через прозрачный контейнер со специально подобранным газом (см. здесь (http://www.nist.gov/…_images.html).

Фотомонтаж реальных квантовых изображений (Vincent Boyer)

В данном случае контейнер был заполнен парами рубидия. Через него пропускали слабый лазерный луч, который предварительно проходил через пластинку с вырезанными контурами латинских букв N и T. Внутри контейнера этот луч (его называют зондирующим) встретился с более мощным лазерным лучом накачки. Оба луча несчетное число раз взаимодействовали с атомами рубидия, которые при этом поглощали и вновь испускали световые кванты. В результате из контейнера вышли уже два расходящихся луча, несущие изображения вырезанных в маске букв. Эта пара состояла из исходного зондирующего луча, усиленного энергетической подпиткой от луча накачки, и его более слабого подобия, так называемого сопряженного луча, рожденного внутри контейнера.

Винсент Бойер и Алберто Марино

Оба изображения были совершенно идентичны, только второе было повернуто относительно первого на 180 градусов. Они состояли из ста отдельных элементов, каждый из которых был квантовой копией своего партнера. Это означает, что неизбежные флуктуации световых сигналов, которые их переносили, были очень сильно скоррелированы друг с другом. Отсюда как раз и следует, что они переносили одну и ту же квантовую инфрмацию. Правда, изображения обеих букв при проекции на экран получились очень расплывчатыми, но ничего иного и не ожидалось.

Сразу после публикации результатов ученые объявили, что готовят новый эксперимент, в котором будут получены такие же идентичные квантовые изображения, но только разнесенные во времени.

Новым экспериментом руководил Винсент Бойер. Согласно идее, в этом эксперименте был задействован не один контейнер с парами рубидия, а целых два. Первый выполнял те же функции, что и в прошлогодней работе. Из него выходили два луча, пробный и сопряженный, несущие информации об одном и том же объекте (в данном случае это была буква ħ, которой физики обозначают редуцированную постоянную Планка). Сопряженный луч направлялся прямо на детектирующее устройство, а вот зондирующий сначала проходил через второй контейнер, который в это время подсвечивался еще одним лазером накачки. Этот лазер настолько увеличивал коэффициент преломления рубидиевого пара, что скорость прохождения зондирующего луча уменьшалась в 500 раз по сравнению со скоростью света в воздухе или (что, практически, то же самое) в вакууме. В результате зондирующий луч доходил до детектора с опозданием в 27 наносекунд по сравнению с сопряженным. Тем не менее, оба световых сигнала вновь демонстрировали такую же квантовую спутанность, как и в прошлогоднем эксперименте. Все колебания интенсивности сопряженного луча воспроизводились и в зондирующем, только с 27-наносекундной задержкой.

Опробованная в этом эксперименте система называется квантовым буфером. Такие буферы создавались и раньше, однако они позволяли сохранять сигналы куда меньшей сложности. Таким образом, новый эксперимент имеет все шансы стать значительным шагом к созданию систем квантовой оптической памяти.

Евгений Биргер