Транзисторы — это крошечные переключатели, лежащие в основе работы современных вычислительных устройств: к примеру, миллиарды их управляют электрическими сигналами в смартфоне.

Квантовым компьютерам понадобится аналоговое оборудование для манипуляции квантовой информацией. Но в этой новой технологии возможности дизайна строго ограничены, и самые передовые процессоры нельзя переделать в квантовые устройства. Дело в том, что носители квантовой информации — кубиты — должны следовать другим правилам, обусловленным квантовой физикой.

Учёные могут использовать многие виды квантовых частиц в качестве кубитов, даже фотоны. У фотонов есть и дополнительное преимущество — способность быстро передавать информацию на большие расстояния, и они совместимы с промышленными микросхемами. Но создание квантового транзистора, переключаемого светом, оказалось сложной задачей, потому что для этого требуется взаимодействие фотонов между собой, а в обычных условиях это не происходит.

Учёные из Мэрилендского университета и Объединённого квантового института, которыми руководил профессор электрической и компьютерной инженерии Эдо Вакс, устранили этот барьер, продемонстрировав первый однофотонный транзистор, используя полупроводниковый чип. Это устройство, описанное в выпуске журнала Science от 6 июля, компактно — порядка миллиона таких транзисторов можно поместить в объёме крупицы соли. Оно работает быстро и способно за секунду обработать 10 миллиардов фотонных кубитов.

«Используя этот транзистор, мы сможем создать квантовый вентиль между фотонами, — говорит Вакс. — Программное обеспечение, выполняемое на квантовом компьютере, будет использовать последовательность таких операций для экспоненциального ускорения на некоторых вычислительных задачах».

Фотонный чип сделан из полупроводника с множеством отверстий, что делает его похожим на соты. Свет, входящий в чип, испытывает отражения и захватывается этой дырочной структурой; крошечный кристалл, называемый квантовой точкой, находится внутри области с наибольшей интенсивностью света. Аналогично обычной компьютерной памяти, точка хранит информацию о поступающих в устройство фотонах. Точка способна эффективно обращаться к этой памяти, выступая посредником во взаимодействии фотонов — то есть действия одного фотона влияют на другие, которые поступят в чип позже.

В однофотонном транзисторе память из квантовых точек должна сохраняться достаточно долго для взаимодействия с каждым фотонным кубитом, — объясняет ведущий автор исследования Шуо Сан из Стэндфордского университета. — Это позволяет единственному фотону переключать поток фотонов, что является основой для работы устройства как транзистора».

Чтобы протестировать чип в качестве транзистора, была рассмотрена реакция устройства на слабые импульсы света, обычно содержавшие единственный фотон. В нормальных условиях такой слабый свет детектируется с трудом. Однако в этом устройстве фотон захватывается надолго, отмечая своё присутствие в близлежащей точке.

Учёные заметили, что единственный фотон, взаимодействуя с точкой, мог управлять прохождением через устройство второго импульса света. Первый импульс действует как ключ, открывая дверь в чип перед вторым фотоном. Если первый импульс не содержал фотонов, точка блокировала последующие фотоны, не давая им проходить. Это поведение сходно с обычным транзистором, где небольшое напряжение управляет прохождением тока. Здесь же учёные заменили напряжение одним фотоном, и показали, что их квантовый транзистор способен переключить световой импульс, содержащий около 30 фотонов, до того как сбросится память квантовой точки.

Профессор Вакс говорит, что его группе пришлось испытать разные аспекты работы устройства, прежде чем транзистор заработал. «До этого у нас были отдельные компоненты, необходимые для создания однофотонного транзистора, но теперь мы собрали всё в один чип».

Шуо Сан говорит, что при вполне реальных инженерных доработках их подход позволит связать между собой множество квантовых транзисторов. Группа надеется, что такие быстрые, плотно связанные устройства в конце концов приведут к компактным квантовым компьютерам, обрабатывающим множество фотонных кубитов.