Оптическая память для квантовых компьютеров на подходе

Оптическая память для квантовых компьютеров на подходе

Одиночные фотоны света — оптимальный базовый строительный элемент для квантовых компьютеров и сенсоров. К сожалению, генерация именно одного фотона за раз является исключительно сложным делом: даже специальные источники одиночных фотонов часто не срабатывают и всегда испускают частицы с разными интервалами. Создать на столь шаткой основе работающий компьютер чрезвычайно тяжело.

В теории способна помочь оптическая память, которая может хранить одиночные фотоны, чтобы, собрав значительную их порцию, далее вести вычисления сразу с группой синхронизированных частиц. В этом случае появляется возможность вести вычисления существенно быстрее, чем на обычных компьютерах.

Международная группа специалистов во главе с Майклом Спрэгом (Michael Sprague) из Оксфордского университета (Великобритания) провела новый эксперимент, направленный на создание такой оптической памяти, причём способной работать при комнатной температуре.

В опыте использовались атомы цезия, размещаемые в центре полого оптического волокна. «В отличие от квадратного оптоволокна со стеклянным сердечником... эти волокна могут направлять свет в полую сердцевину, куда для увеличения взаимодействия со входящими оптическими импульсами помещаются атомы цезия, — поясняет г-н Спрэг. — Поскольку атомы и свет удерживаются в очень ограниченном пространстве внутри волокна, количество энергии, нужное для управления такой памятью, снижается в 200 раз в сравнении с предшествующими аналогами». Особенно ценно то, что свет удаётся сохранять с уровнем шума, который был много меньше одного фотона (то есть вероятность шумов однофотонного уровня для каждой операции оставалась весьма малой).

А это значит, что у памяти есть потенциал для сохранения импульсов света с интересующими исследователей квантовыми характеристиками.

Конечно, полое оптоволокно с цезием в сердцевине нельзя считать напрямую совместимым с существующей сетью такого рода. Однако включение подобных фрагментов в обычные сети волне возможно. В то же время впереди большая работа по доводке: пока оптической памяти удаётся хранить отдельные фотоны только 30 нс подряд, однако разработчики полагают возможным очень скоро довести длительность хранения до 100 нс. Вам кажется, что это не очень много? Вспомните, что сам по себе свет за это время способен пройти пару–тройку десятков метров, и способность задержать одиночные фотоны в одной точке на долгий срок действительно выглядит впечатляюще.

И самое главное: это позволит создать синхронизированные группы отдельных фотонов, что является непременным условием реализации квантовых вычислений на такой элементной базе.

Учёный полон оптимизма: «До сих пор никому не удавалось хранить истинные одиночные фотоны в оптической памяти при комнатной температуре. Наша работа показывает, что такой вид памяти, способной оперировать сразу с десятками отдельных фотонов, может стать реальностью всего через несколько лет».

Отчёт об исследовании опубликован в издании New Journal of Physics, а его препринт можно полистать здесь.

Подготовлено по материалам Оксфордского университета.