Физики разработали квантовые переключатели, которые можно активировать одиночными фотонами

Исследователи из Гарварда удалось создать квантовые переключатели его можно включать и выключать с помощью одного фотона — технологическое достижение, которое может проложить путь к созданию высокозащищенных квантовых сетей.

 

Построенные из отдельных атомов, первые в своем роде коммутаторы однажды смогут быть объединены в сеть через оптоволоконные кабели, чтобы сформировать основу «квантового Интернета», обеспечивающего совершенно безопасную связь, сказал профессор физики Михаил Лукин, возглавлявший исследование команда, состоящая из аспиранта Джеффа Томпсона и научного сотрудника Тобиаса Тике, разработала новую систему. Их исследование подробно описано в недавно опубликованной статье в журнале Природа.

«С технической точки зрения это замечательное достижение», — сказал Лукин о новом достижении. «Концептуально идея очень проста – довести обычный выключатель света до предела. Здесь мы использовали одиночный атом в качестве переключателя, который, в зависимости от его состояния, может открывать или закрывать поток фотонов… и его можно включать и выключать с помощью одного фотона».

Хотя переключатели можно использовать для создания квантового компьютера, Лукин сказал, что маловероятно, что эта технология появится в обычном настольном компьютере.

По его словам, они будут использоваться при создании волоконно-оптических сетей, использующих квантовая криптография, метод шифрования сообщений с использованием законов квантовой механики, обеспечивающий совершенно безопасную связь. Такие системы делают невозможным перехват и чтение сообщений, отправляемых по сети, поскольку сам акт измерения квантового объекта меняет его, оставляя после себя явные признаки шпионажа.

«Вряд ли всем понадобится такая технология», — сказал он. «Но есть некоторые реалистичные приложения, которые когда-нибудь могут оказать преобразующее воздействие на наше общество. В настоящее время мы ограничены использованием квантовой криптографии на относительно небольших расстояниях — десятках километров. Благодаря новым достижениям мы, возможно, в конечном итоге сможем расширить радиус действия квантовой криптографии до тысяч километров».

Важно отметить, что, по словам Тике, их система обладает высокой масштабируемостью и однажды сможет позволить изготавливать тысячи таких переключателей в одном устройстве.

«На самом деле мы взяли идеи, которые люди исследовали и до сих пор исследуют в макроскопических системах, где свет отражается взад и вперед на двух зеркалах сантиметрового размера, взаимодействуя с атомом. Мы взяли это и уменьшили его вниз», — сказал Томпсон. «В течение двух десятилетий исследователи работали над объединением двух или трех таких макроскопических систем и созданием простой сети, но нам очень легко создать три, четыре или 10 000 таких оптических схем. То, что показывает настоящая статья, — это, по крайней мере технологически, путь вперед».

По мнению Лукина, это один из способов, с помощью которых квантовые системы могут осуществить тот же переход, который совершили обычные компьютеры десятилетия назад – от электронных ламп к интегральным схемам.

«Обычные компьютеры изначально создавались с использованием электронных ламп, а со временем люди разработали интегральные схемы, используемые в современных компьютерах», — сказал он. «Там, где сегодня находятся квантовые системы, лучшие системы по-прежнему аналогичны вакуумным лампам — они обычно используют вакуумные камеры для изоляции и удержания отдельных атомов с помощью электромагнитных полей.

«Но совершенно очевидно, что если мы хотим масштабировать эти системы, нам нужно подумать об использовании интегральных схем», — продолжил он. «То, что сделали Джефф и Тобиас, — это создали гибридную систему. Мы берём атомы в вакуумных камерах и объединяем их с помощью интегральных схем».

Хотя они изготавливаются таким же способом, как и традиционные компьютерные чипы, интегральные схемы построенные Томпсоном и Тике, работают не на электричестве, а на свете.

Чипы используют нанофотонную технологию – по сути, способность создавать «проводку», которая может направлять и контролировать путь света – для создания оптических схем, которые затем можно подключить к оптоволоконным кабелям.

После размещения оптические схемы В вакуумной камере исследователи использовали «оптические пинцеты» — точно сфокусированные лазеры — для захвата одного атома и охлаждения его до температуры, немного превышающей абсолютный ноль. Затем они перемещают атом на расстояние нескольких сотен нанометров от чипа.

Однако простого объединения двух частей недостаточно.

Создать квантовые переключатели, которые однажды могут оказаться в основе квантовые сетиОни бомбардируют атом микроволнами и лазерами, заставляя его войти в состояние квантовой суперпозиции – то есть он может одновременно занимать несколько квантовых состояний, соответствующих состояниям «включено» и «выключено» переключателя.

«Чтобы это сработало, атомный переключатель должен быть подготовлен в этом особом состоянии суперпозиции», — объяснил Лукин. «Это состояние суперпозиции чрезвычайно хрупко — настолько хрупко, что когда в него попадает одиночный фотон, он фактически меняет свою фазу. Именно это изменение фазы позволяет ему действовать как клапан и включаться или выключаться».

Хотя маловероятно, что переключатели станут стандартным оборудованием для персональных компьютеров, Лукин сказал, что они могут появиться в прототипах квантовых сетей всего за десять лет.

«Есть и другие системы, более сложные с точки зрения создания квантового компьютера», — сказал Томпсон. «Но ключевым преимуществом того, что продемонстрировано в этой статье, является то, что одноатомный переключатель очень тесно связан со светом, особенно со светом в оптических волокнах».