Квантовые логические операции, реализованные с одиночными фотонами

Ученые со всего мира работают над концепциями квантовых компьютеров будущего и их экспериментальной реализацией. Обычно считается, что типичный квантовый компьютер основан на сети квантовых частиц, которые служат для хранения, кодирования и обработки квантовой информации. По аналогии с классическим компьютером, квантовый логический вентиль, который назначает выходные сигналы входным сигналам детерминированным образом, был бы важным строительным блоком.

Команда доктора Стефана Дурра из отдела квантовой динамики профессора Герхарда Ремпе из Института квантовой оптики Макса Планка теперь продемонстрировала в эксперименте, как важная операция затвора — обмен двоичными значениями битов 0 и 1 — могут быть реализованы с помощью одиночных фотонов. Первый световой импульс, содержащий только один фотон, сохраняется как возбуждение в ультрахолодном облаке, состоящем из примерно 100 000 атомов рубидия. Это приводит к тому, что второй световой импульс, проходящий через облако, демонстрирует сдвиг фазы на 180 градусов (Science Advances, 29 апреля 2016 г.).«Фотоны — идеальные носители квантовой информации, потому что они практически не взаимодействуют с окружающей средой и могут легко передаваться на большие расстояния», — объясняет доктор Стефан Дурр, руководитель проекта. «Поэтому мы очень заинтересованы в разработке фотонно-фотонно-квантовых ворот, в которых один световой импульс может детерминированно модифицировать входящий фотонный кубит».

Современная обработка данных основана на том принципе, что информация может быть закодирована в двоичной системе. В этом контексте логические вентили выполняют задачу реализации таблиц истинности, которые однозначно присваивают определенный выходной шаблон заданному входному сигналу.

Например, входное значение 0 может быть преобразовано в выходное значение 1 или наоборот. В затворе фотон-фотон-квантовый элемент это соответствует процессу детерминированного манипулирования одним фотоном состоянием второго отдельного фотона. Это взаимодействие должно быть опосредовано материей. До сих пор не было найдено ни одной физической системы, обеспечивающей достаточно сильное взаимодействие.

В этом эксперименте облако из примерно 100 000 атомов рубидия охлаждается до температуры 0,5 микрокельвина и попадает в дипольную ловушку, состоящую из нескольких световых полей. Затем на облако падает быстрая последовательность из трех световых импульсов: первый так называемый управляющий импульс определяет, значительно ли изменяется второй целевой импульс, когда он проходит через облако, то есть включен или выключен затвор. Третий импульс используется для извлечения возбуждения, которое потенциально было сохранено.

Световые импульсы состоят из двух компонентов: с одной стороны, они содержат красный световой сигнал, настолько слабый, что световой импульс переносит в среднем только один фотон. При длине волны 780 нм он почти резонансен с определенным атомным переходом.

Без дальнейшей обработки световой импульс прошел бы через атомное облако и приобрел бы определенный фазовый сдвиг. Однако, добавляя синий связывающий свет высокой интенсивности с длиной волны 480 нм, фотон в сигнальном импульсе можно сохранять управляемым и обратимым образом. Во время этого процесса один атом в облаке переводится в высоковозбужденное ридберговское состояние, в котором один электрон находится на большом расстоянии от ядра.На следующем этапе атомы облучаются целевым импульсом, который также состоит из сигнального и связывающего света.

Поскольку ридберговский атом демонстрирует дальнодействующее ван-дер-ваальсово взаимодействие с другими атомами в облаке, атомные энергетические уровни внутри определенной области вокруг ридберговского атома смещаются. Это приводит к большей отстройке целевого импульса от атомных уровней по сравнению со случаем без предварительно сохраненного управляющего импульса.Из-за этой расстройки целевой импульс улавливает фазовый сдвиг, который на 180 градусов отличается от фазового сдвига, полученного, когда управляющее возбуждение не сохраняется. «Именно этот дополнительный фазовый сдвиг, вызванный взаимодействием Ван-дер-Ваальса, действительно имеет значение», — говорит д-р Дурр. «Это позволяет генерировать квантовые состояния, ортогональные друг другу, что соответствует изменению бита с 0 на 1.» На последнем этапе связывающий световой импульс извлекает сигнальный фотон, который хранится в облаке.

В серии измерений с использованием волновых пластин и поляризационного светоделителя ученые определили поляризацию обоих фотонов красного сигнала после прохождения через атомное облако. Таким образом, они смогли показать, что световой импульс получил дополнительный фазовый сдвиг на 180 градусов всякий раз, когда сигнальный лазер был включен во время управляющего импульса. Весь цикл — сохранение управляющего импульса, распространение целевого импульса и восстановление управляющего возбуждения — занимает всего несколько микросекунд.

«Эксперимент демонстрирует, что мы можем вращать плоскость поляризации фотонного кубита в целевом импульсе с помощью всего одного контрольного фотона», — резюмирует д-р Дурр. «Это важная предпосылка для реализации квантовых вентилей. Однако квантовые вентили также должны обеспечивать возможность генерировать запутанное конечное состояние из двух отдельных начальных состояний.

Для достижения этой цели мы планируем провести дальнейшие эксперименты».

13 комментариев к “Квантовые логические операции, реализованные с одиночными фотонами”

  1. ипать смешной! Даже китайцы строят третий авианосец, а в росии один и тот на буксире!

  2. Adriehuginn

    В дополнение к стандартным методам наращивание экспорта Украинское Правительство могло бы пролоббировать Закон о торговой наценке, чтобы товары, покупаемые за валюту или имеющие в себестоимости комплектующие купленные за валюту, имели граничную ставку наценки и на сам товара и на наценку при продаже. Поскольку, на данный момент фармацевтика, импортные товары продаются по ценам просто абсурдным с заложенным курсов не 26, а все 40-50, фактически супер-прибыли из воздуха.

  3. Панфёрова Елена

    Все конечно хорошо, Европа думает над усилением санкций и все такое. Но одно уточнение — РФ Оккупировала Крым, Путин убил более 10,000 украинцев в Донбассе и Британия не думала над усилением санкций, тот же запрет Swift для российских санкций не рассматривали, а убийство по сути ведь предателя, шпиона который предал свою страну, есть поводом для усилений санкций, в чем тут ущербность западных ценностей ?!!

  4. Еромеев Савелий

    Знаешь, ко3л0м0рд0е, мы на твоё мнение просто плевали! ПНХ, козёл!

  5. Ветрова Полина

    Тебе позориться еще не надоело? Или ты гордишься своим дебилизмом?

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *