Фотоны в упряжке
АрхивПлатформаКогда появится квантовый интернет, переносить информацию от одного спинтронного компьютера к другому будут единичные фотоны со строго заданными свойствами.
В этом году отмечается столетняя годовщина описания фотоэлектрического эффекта Альбертом Эйнштейном. В ту пору данное открытие стало важным дополнительным подтверждением правильности квантовой гипотезы Макса Планка, которую тот выдвинул в 1900 году. Согласно его формулировке, энергия электромагнитной волны состоит не из непрерывного потока, а образуется дискретными энергетическими частицами, фотонами. Фотоны испускаются атомами в произвольном порядке. В прошлом это никому не мешало, так как в макроскопическом мире свет воспринимается только как ежесекундный совокупный эффект триллионов фотонов, поэтому всевозможные флюктуации просто усредняются. То ли дело в веке XXI, накануне назревшего прорыва в области спинтроники и квантового компьютинга.
В прошлом веке в лабораториях всего мира создавались источники света, испускающие отдельные фотоны. Целью подобных экспериментов являются попытки научиться использовать квантовые состояния фотонов для обработки информации с беспрецедентной эффективностью, для создания основополагающих принципов сверхзащищенной связи. Для надежной работы квантовых вычислительных схем требуется, чтобы испускание и поглощение фотонов оставалось под полным контролем человека.
Один из методов создания единичного фотона заключается в помещении атома между двумя зеркалами, образующими резонатор, который и будет удерживать образующийся фотон. В подходящем возбужденном состоянии атом испускает единичный фотон, но главная проблема заключается в том, что положение атома в резонаторе практически не управляемо из-за ограниченных возможностей имевшихся прежде технологий захвата. Соответственно, такое положение дел приводит к непредсказуемо меняющимся условиям генерации фотонов, а отсюда - к случайно варьирующимся свойствам у образовавшихся фотонов.
Исследователи из Института квантовой оптики Макса Планка в Гархинге (Бавария, Германия) достигли выдающихся результатов в разработке технологии контролируемого создания отдельных фотонов. Используя намертво захваченный ион кальция, помещенный между двумя зеркалами сверхвысокой отражательной способности, и подвергая его воздействию внешнего лазерного облучения, ученые добились упорядоченного испускания единичных фотонов, одного за другим. Время испускания частиц и форма импульса каждого фотона полностью контролировались экспериментаторами. Что особенно важно, устройство работало непрерывно в течение всего периода времени, ограниченного лишь временем удержания иона в ловушке, на практике - в течение многих часов.
Данное достижение позволяет надеяться на воплощение в жизнь некоторых наиболее смелых идей в области квантовых вычислений. Контролируемое квантовое сопряжение атомов и фотонов теперь стало вполне достижимым, а следовательно, локальные, ионного уровня операции над квантовыми состояниями теперь будет можно сочетать с обменом квантовой информацией на больших расстояниях. Это и является ключевым компонентом для постройки надежного квантового интернета.
Матиас Келлер, Биргит Ланге, Кадзухиро Хаясака, Вольфганг Ланге и Герберт Вальтер из Института квантовой оптики Макса Планка сумели преодолеть ограничения на управление захваченными атомами в резонаторах. Они заключили в радиочастотную ловушку ион кальция (см. рис. 1). Понижая температуру при помощи лазера, ученые сократили область свободного перемещения атома до 40 нанометров в диаметре, что составляет всего небольшую долю от длины волны фотонов, которые физики собирались получить (866 нм), и обеспечивает оптимальные условия для контроля за взаимодействием иона и поля.
Рис.1 Ионная ловушка, использовавшаяся в эксперименте. Ион вводится с задней стороны и проталкивается вдоль оси ловушки к центру резонатора. Эмиссия фотонов достигается импульсом накачки сбоку. Полученные фотоны испускаются через выходное зеркало.
Как видно из рисунка, ион кальция поместили между двумя зеркалами сверхвысокой отражательной способности. Зазор между зеркалами был отрегулирован таким образом, чтобы между ними могла образоваться устойчивая световая волна, совпадающая с подходящим переходом в атоме. Изначально в полости резонатора света не было: энергия должна была поступать извне посредством возбуждения иона лучом лазера, направленного сбоку резонатора.
Когда параметры системы корректно отрегулированы, ион кальция поглощает фотон от внешнего лазера. Следом за этим сильное взаимодействие с условиями резонатора побуждает ион испустить единичный фотон. После выпуска фотона ион переходит в состояние, в котором совсем перестает поглощать свет возбуждающего лазера. Таким образом, создания второго фотона уже не добиться. Для того чтобы переправить полученный фотон наружу, одно из стекол было сделано частично прозрачным. Фотон, в конце концов, просачивался из камеры резонатора в окружающий мир, чем и завершался весь процесс генерации единичного фотона.
В связи с тем, что эмиссия частицы вызывалась импульсом внешнего лазера, ученые могли производить фотоны нажатием одной кнопки. Однако, как выяснилось, не только время эмиссии, но и форма импульса единичного фотона связаны с формой возбуждающего импульса.
Перед учеными встала другая проблема - измерение формы импульса отдельного фотона. В эксперименте единичный фотон обнаруживался в определенный момент щелчком детектора. В это время вся прочая информация о частице безвозвратно утрачивалась. Однако исследователи из Института Макса Планка воспользовались своим полным контролем над ионом на стадии начальной подготовки к опыту и тем, что каждый произведенный установкой фотон имеет идентичные свойства. Тем самым, они решили определять форму импульса посредством постоянных замеров последовательно генерирующихся фотонов. Статистически подсчитав время появления частиц, занимавшее порядка двух микросекунд, они получили график формы импульса фотона.
Рис.2 Формы импульсов единичных фотонов, полученных посредством статистического подсчета времени выявления идентично сгенерированных фотонов. Вверху - при импульсе накачки с одним пиковым значением, внизу - при импульсе накачки с двойным пиковым значением.
Два примера измеренных форм импульса показаны на рис.2. Синяя линия отражает вычисленное время появления фотона в сравнении с наложенной красной линией, полученной техническим расчетом кванта. Точное совпадение двух кривых демонстрирует высокую степень управления процессом, достигнутую экспериментаторами. Необходимо отметить, что форма импульса на нижнем графике на рис.2 принадлежит единичному фотону, форма импульса которого обрела два пиковых значения из-за соответствующего импульса накачки.
Существенно важным достижением немецких физиков можно также считать тот факт, что им удалось добиться продолжительного удержания иона в ловушке, как правило, до нескольких часов подряд. Это значительный успех в сравнении с типичными атомными ловушками, позволявшими захватывать атомы на период не дольше одной секунды.
Группа ученых из Института Макса Планка смогла генерировать непрерывный поток единичных фотонов в течение целых 90 минут. Для надежного функционирования устройств квантовой обработки информации - это невиданный успех. Полностью управляемое сопряжение фотонов с ионами необходимо для создания технологий, объединяющих дальнюю квантовую связь с квантовыми процессорами на основе ионных ловушек. Обе эти концепции уже достаточно подробно разработаны, а теперь еще и появилось важное связующее звено между ними. В результате, в перспективе замаячила квантовая вариация интернета, в котором локальные центры обработки информации соединяются друг с другом посредством фотонных каналов.
