Использование в качестве носителей квантовой информации частиц света — фотонов — позволяет быстро перемещать кубиты на большие расстояния, кроме того это упрощает взаимодействие с современными оптоэлектронными чипами. Однако, получить квантовый транзистор, управляемый светом, это крайне сложная задача, поскольку для этого фотоны необходимо каким-то образом заставить взаимодействовать между собой.

Исследователи из Инженерной школы Мэрилендского университета и Совместного квантового института (JQI) утверждают, что смогли решить эту проблему. В сегодняшнем выпуске Science они описали первый однофотонный транзистор, реализованный в полупроводниковом чипе. Созданное ими устройство очень компактно — один миллион новых транзисторов уместится в одном зёрнышке соли — и имеет высокое быстродействие, каждую секунду обрабатывая 10 млрд фотонных кубитов.

Фотонный чип был изготовлен из полупроводника, напоминающего пчелиные соты из-за обилия дыр. Падающий свет переотражается в этих дырах и попадает в миниатюрный кристалл, квантовую точку, размещённый в зоне максимальной интенсивности света. Аналогично обычной памяти компьютера, квантовая точка сохраняет информацию о фотонах, входящих в устройство. Она также может эффективно использовать эту память, выступая посредницей для межфотонных взаимодействий: действия одного фотона влияют на другие фотоны, попадающие на чип позже.

Команда наблюдала на практике как один фотон, взаимодействуя с квантовой точкой, мог контролировать прохождение через устройство следующего светового импульса. Первый импульс действовал как ключ, открывающий вход в чип второму импульсу. Если в первом импульсе не было фотонов, точка блокировала прохождение последующих фотонов. Такое поведение аналогично функционированию обычного транзистора, где небольшое напряжение управляет прохождением тока между его контактами.

Авторы успешно заменили электрическое напряжение светом и показали, что их квантовый транзистор мог переключать световой импульс, содержащий до 30 фотонов, пока не заканчивалась память квантовой точки. Они надеются, что дальнейшее усовершенствование их разработки позволит связывать вместе множество квантовых фотонных транзисторов, что поможет в создании компактных компьютеров, состоящих из большого количества фотонных кубитов.