Новый метод, описанный в статье, опубликованной сегодня в журнале Nature, позволяет исследователям связать одиночный атом рубидия, металла, с одиночным фотоном или легкой частицей. Это позволяет как атому, так и фотону переключать квантовое состояние другой частицы, обеспечивая механизм, посредством которого могут выполняться операции квантового уровня.Более того, ученые считают, что их метод позволит им увеличить количество полезных взаимодействий, происходящих в небольшом пространстве, тем самым увеличивая объем доступной обработки квантовых вычислений.
«Это крупное достижение этой системы», — говорит Владан Вулетич, профессор кафедры физики Массачусетского технологического института и исследовательской лаборатории электроники (RLE) и соавтор статьи. «Мы продемонстрировали, что в основном атом может переключать фазу фотона. А фотон может переключать фазу атома».
То есть фотоны могут иметь два состояния поляризации, и взаимодействие с атомом может переводить фотон из одного состояния в другое; и наоборот, взаимодействие с фотоном может изменить энергетический уровень атома с его «основного» состояния на «возбужденное» состояние. Таким образом, связь атома-фотона может служить квантовым переключателем для передачи информации — эквивалентом транзистора в классической вычислительной системе.
А поместив множество атомов в одно и то же поле света, исследователи смогут построить сети, которые смогут обрабатывать квантовую информацию более эффективно.«Теперь вы можете представить, что туда поместили несколько атомов, чтобы сделать несколько таких устройств — которые имеют толщину всего несколько сотен нанометров, что в 1000 раз тоньше человеческого волоса — и соединить их вместе, чтобы заставить их обмениваться информацией», — добавляет Вулетич. .Использование фотонного резонатора
Квантовые вычисления могут обеспечить быстрое выполнение вычислений за счет использования отличительных свойств частиц на квантовом уровне. Некоторые частицы могут находиться в состоянии суперпозиции, оказываясь существующими в двух местах одновременно. Частицы в суперпозиции, известные как кубиты, могут, таким образом, содержать больше информации, чем частицы в классических масштабах, и обеспечивать более быстрые вычисления.Однако исследователи находятся на ранних этапах определения того, какие материалы лучше всего подходят для квантовых вычислений.
Исследователи из Массачусетского технологического института и Гарварда рассматривают фотоны в качестве материала-кандидата, поскольку фотоны редко взаимодействуют с другими частицами. По этой причине оптическую квантовую вычислительную систему, использующую фотоны, было бы сложнее выбить из ее тонкой настройки. Но поскольку фотоны редко взаимодействуют с другими частями материи, ими в первую очередь трудно манипулировать.В этом случае исследователи использовали лазер, чтобы поместить атом рубидия очень близко к поверхности фотонно-кристаллической полости, структуры света.
Атомы располагались на расстоянии не более 100 или 200 нанометров — меньше длины волны света — от края полости. На таких малых расстояниях между атомом и поверхностью светового поля существует сильная сила притяжения, которую исследователи использовали для захвата атома на месте.
Другие методы получения аналогичного результата рассматривались ранее — такие как, по сути, бросание атомов на свет, а затем их обнаружение и захват. Но исследователи обнаружили, что таким образом они лучше контролируют частицы.
«В некотором смысле было большим сюрпризом, насколько просто это решение было по сравнению с различными методами, которые вы могли себе представить, чтобы получить туда атомы», — говорит Вулетич.Результатом является то, что он называет «гибридной квантовой системой», где отдельные атомы соединяются с микроскопическими устройствами, и в которой атомами и фотонами можно продуктивно управлять. Исследователи также обнаружили, что новое устройство служит своего рода маршрутизатором, отделяющим фотоны друг от друга.
«Идея состоит в том, чтобы объединить разные вещи, которые имеют разные сильные и слабые стороны, таким образом, чтобы создать что-то новое», — говорит Вулетик, добавляя: «Это прогресс в технологии. Конечно, будет ли это технология, еще неизвестно. . "« Все еще удивительно » удерживать один атом
Статья «Нанофотонный квантовый переключатель фазы с одним атомом» является соавтором Vuletic; Тобиас Тике, постдок, связанный с RLE и Гарвардом; Гарвардский профессор физики Михаил Лукин; Постдок из Гарварда Натали де Леон; и аспиранты Гарварда Джефф Томпсон и Бо Лю.Сотрудничество между исследователями Массачусетского технологического института и Гарварда — одно из двух достижений в области, описанной в текущем выпуске журнала Nature.
Исследователи из Института квантовой оптики Макса Планка в Германии одновременно разработали новый метод взаимодействия атома с фотоном с использованием зеркал, образующих квантовые ворота, которые изменяют направление движения или поляризацию фотонов.Если методы исследования кажутся немного футуристическими, Вулетик говорит, что даже будучи опытным исследователем в этой области, он по-прежнему испытывает некоторый трепет перед инструментами, находящимися в его распоряжении.«Для меня по-прежнему удивительно, что после 20 лет работы в этом направлении, — размышляет Вулетик, — мы можем удерживать один атом, мы можем видеть его, мы можем перемещать его, мы можем создавать квантовые суперпозиции атомов, мы можем обнаружить их одного за другим ".