Оптический переключающий элемент, управляемый одним фотоном приближает эру квантовых компьютеров

Оптические вычисления, лежащие в основе создания квантовых компьютеров, на сегодняшний день являются предметом гипотетических рассуждений. Теоретически, квантовые компьютеры способны решать некоторые задачи принципиально по-другому, выходя на совершенно недостижимые уровни быстродействия для классических, электрических компьютеров. А практически, для квантового компьютера отсутствует самое малое, что нужно – элементная база, элементарные вычислительные элементы, оптические аналоги транзисторов.

Но, судя по всему, сделаны первые шаги к практической реализации квантовых вычислений. Ученые из научно-исследовательской лаборатории при Массачусетском технологическом институте электроники, в содружестве с коллегами из Гарвардского университета и Венского технологического университета представили научной общественности результаты своих исследований. Ими проведены эксперименты по практической реализации оптического переключателя, управляемого одним фотоном, который управляет пропусканием светового потока. По сути, это оптический аналог транзистора, основного компонента любой вычислительной системы.

Для реализации оптического транзистора требуется, чтобы фотоны могли оказывать влияние на поведение друг друга. Причем, в обычных условиях при столкновении двух фотонов ничего не произойдет – они не заметят присутствия друг друга, и просто продолжат свое движение.
Предлагаемое решение состоит из двух зеркал, которые образуют своего рода оптический резонатор. Когда оптический переключатель находится в положении «включено», свет проходит через оба зеркала. При состоянии переключателя « выключено», вероятность прохождения снижается до 20%. Если бы было одно зеркало, а не два, то свет просто отражался бы обратно.

Благодаря двум зеркалам поведение меняется. Если бы фотон вел себя как частица, он должен был останавливаться первым зеркалом, но так как он проявляет свои волновые свойства, электромагнитное поле способно проникнуть в пространство между двумя зеркалами. Если расстояние между ними соответствует определенному соотношению длины волны входящего фотона, то между зеркалами создается значительное электромагнитное поле, компенсирующее отраженное поле, идущее обратно от первого зеркала. Поэтому свет распространяется вперёд, сквозь два зеркала на своем пути.

Пространство оптического резонатора был заполнено охлажденными до сверхнизких температур атомами цезия, которые в нормальных условиях не взаимодействуют с фотонами . Если один «затворный» фотон попадает в середину этой группы атомов под определенным углом, переводя лишь одни электрон одного атома в более высокоэнергетическое состояние, то внутри резонатора изменяются физические условия, позволяя осуществить то самое переключение.

Несмотря на низкую эффективность (20%), необходимость охлаждения до околонулевых температур, оптический транзистор заработал. Что позволяет надеяться на будущее квантовых вычислений. Причем разработчики надеются, что подобные эффекты достижимы при более высоких температурах.
(По материалам журнала Science и MIT News)