Раньше его наблюдали только в сложных полупроводниковых структурах с внешним магнитным полем. Группа ученых Университета ИТМО и Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе предсказала фотонный аналог квантового эффекта Холла в гораздо более простой системе – цепочке частиц в волноводе. Это может открыть новые возможности для создания квантовой памяти и квантовых симуляторов.

Статья опубликована в журнале NPJ Quantum Information.

Раньше подобное поведение удавалось обнаружить только в очень сложных системах, при низких температурах, внешнем магнитном поле или периодической перестройке параметров структуры. В данном случае ученые смогли теоретически предсказать подобный эффект для двух фотонов, перемещающихся в цепочке из сверхпроводящих кубитов — квантовых аналогов битов в компьютерной памяти.

Из кубитов можно собрать цепочку, в которой один кубит способен передавать информацию соседним. Ученые рассмотрели такую цепочку, размещенную внутрь волновода, по которому могут распространяться кванты электромагнитного излучения — фотоны.

При взаимодействии с кубитом фотон образует поляритон — частицу, которая ведет себя отчасти как свет, отчасти как материя. В последнем случае фотон внутри кубита преобразовывается в электрические токи, после чего кубит излучает их обратно в окружающее пространство — снова в виде фотона. В этот момент поляритон перемещается дальше по цепочке, перескакивая в другие кубиты, при этом не только на соседние. Хотя поведение фотонов в такой системе никак не связано с электрическим током, оно описывается сходными с квантовым эффектом Холла уравнениями.

«Мы добавляем волновод, который связывает все кубиты со всеми, — это как телефонная линия между всеми домами в деревне. При этом мы еще учитываем, что в системе каждый кубит может поглотить один фотон, но не может поглотить два фотона сразу. Такое явление называется фотонной блокадой. Условно, если в каком-то доме сняли трубку, отвечая на звонок, то второй звонок одновременно уже не поступит — номер занят. Однако можно позвонить в любой другой дом», — объясняет аспирант Университета ИТМО Никита Олехно.

Двухфотонные системы используются в квантовых вычислениях, при передаче данных с квантовым шифрованием, а также для проведения сверхточных измерений. Их применение основано на принципе квантовой запутанности, когда два фотона оказываются связанными между собой. В результате, если измерить состояние одного из них, можно сразу получить информацию и о состоянии второго.

Это необычное явление как раз и позволяет реализовывать квантовые симуляторы и квантовые компьютеры, делать системы криптографии и разрабатывать высокоточные установки для метрологии. Исследование поможет физикам и инженерам лучше понять поведение многофотонных квантовых систем и продвинуться на шаг ближе к практической реализации устройств для обработки квантовой информации.