Любой современный компьютер работает в соответствии с математическим принципом, который был разработан немецким ученым-ученым Готфридом Вильгельмом Лейбницем более 300 лет назад: информация может быть закодирована в двоичной системе и обработана с помощью логических операторов. Логические вентили основаны на этом принципе.
Они детерминированно генерируют выходные сигналы для любой комбинации входных сигналов в соответствии с так называемой таблицей истинности. В настоящее время компьютеры содержат миллионы логических вентилей в виде электронных схем.В описанном здесь эксперименте бинарные состояния 0 и 1 представлены двумя ориентациями спина атома (вверх или вниз) и двумя состояниями поляризации оптического фотона (левым или правым круговым) соответственно. В отличие от классических битов, эти «квантовые биты» могут находиться в когерентной суперпозиции обоих состояний.
Чтобы реализовать квантовый вентиль, атом попадает в полость, состоящую из двух зеркал высокой точности. Свойства полости выбраны таким образом, что атом и полость образуют прочно связанную систему.
Кванты света готовятся в виде слабых лазерных импульсов, содержащих в среднем менее одного фотона.В предыдущем эксперименте было показано, что при правильном выборе параметров световые кванты всегда отражаются. Важно то, что для определенных комбинаций атомных и фотонных входных состояний фотоны отражаются от первого зеркала. Однако для других комбинаций они сначала входят в полость, а затем оставляют ее на том же пути.
Таким образом, они испытывают фазовый сдвиг на 180 градусов. «Этот условный фазовый сдвиг является предпосылкой для реализации таблицы истинности, назначающей выходные сигналы любой комбинации входных битов детерминированным образом, подобно классическому логическому элементу», — объясняет д-р Стефан Риттер.«В нашем эксперименте мы измеряем как поляризацию отраженных фотонов, так и ориентацию спина атома после операции затвора. В настоящее время мы достигаем эффективности около 70%. Путем дальнейшего улучшения параметров зеркала это значение может быть значительно улучшено, "- говорит Андреас Райзерер.
Эти измерения демонстрируют, что гибридная система атом-фотон может действовать как классический логический вентиль. Однако истинным преимуществом квантового вентиля по сравнению с классическим является его способность генерировать запутанные состояния из разделяемых входных состояний. Чтобы проверить это конкретное поведение, ученые выбрали комбинацию входных битов, которая — согласно правилам квантовой механики — должна приводить к запутанному состоянию атома и фотона после операции затвора. И в этом случае механизм ворот работал, как положено.
Последовательно посылая в систему два лазерных импульса, физики могли даже добиться запутывания между атомом и двумя фотонами. Путем хитроумных манипуляций с атомом на втором этапе он был распутан, оставив пару запутанных фотонов. «Эти измерения демонстрируют универсальность механизма затвора, который даже обеспечивает взаимодействие между двумя фотонами», — говорит Норберт Калб. «Механизм также должен позволять генерировать запутанные состояния кластера, состоящего из атома и нескольких фотонов».
Разработка этого гибридного квантового логического элемента может стать большим шагом на пути к универсальному квантовому компьютеру. «Квантовая связь, использование летающих фотонов и обработка данных с атомами или ионами до сих пор рассматривались как отдельные области исследований», — говорит профессор Герхард Ремпе. «В нашем эксперименте мы объединяем оба метода. В частности, наши квантовые ворота могут быть легко реализованы в сети, в которой атомы служат стационарными узлами для хранения информации, а фотоны передают информацию между этими узлами даже на большие расстояния. таким образом мы надеемся внести свой вклад в создание масштабируемого квантового компьютера ».