Кілька днів тому команда вчених з Великобританії, Японії, Ізраїлю та Нідерландів провела досвід зі специфічною поведінкою пари фотонів, яке раніше лише передбачалося теорією. Прорив у фотоніці обіцяє відкрити новий напрямок у квантових комп'ютерах, які могли б виконувати моделювання дуже складних біологічних, хімічних та фізичних систем.

Квантова прогулянка, або квантове блукання (quantum walk) - це цікавий ефект, породжуваний особливостями квантових частинок. У математиці існує аналог - процес випадкового блукання, і він допоможе нам зрозуміти суть прогулянки.

Найпростіший її приклад - одновимірний. Якщо взяти за точку початку руху частинки "0", а крок прийняти за 1, то в процесі такого блукання об'єкт буде зміщуватися на одиницю вліво або вправо, причому вибір того чи іншого напрямку - випадковий.

Як неважко побачити, після двох кроків (наче ми підкинули монетку два рази), частка виявиться або в точці "2", або в "-2", або повернеться до 0. На п'ятому кроці ми можемо отримати результат "5", "-5", "3", "-3", "1" і "-1".

У квантовому блуканні необхідно врахувати, що частка, яка переміщається , до прикладу, по гілкується хвилеводів, до вимірювання знаходиться в суперпозиції можливих своїх станів. Говорячи спрощено, спрямований на светоделітель фотон буде рухатися "відразу по двох напрямах". А якщо доріжки зближені, повинна відбуватися інтерференція таких станів.

І зовсім вже складна картина виходить, якщо на вході такого лабіринту по двом сусіднім волноводам було подано два фотони. Їх взаємодія буде впливати на вірогідність попадання кожної з частинок в той чи інший вихід мережі.


На цьому графічному представленні одночасного квантового блукання двох фотонів інтенсивність світіння точок відповідає ймовірності появи частинок в тій чи іншої позиції. Дві області підвищеної ймовірності - відмітна риса реалізованого фізиками процесу (ілюстрація University of Bristol).

Саме такий процес організували експериментатори, побудувавши крихітний чіп з волноводами (він і показаний на фото під заголовком). Основною проблемою, як повідомляє учасник роботи Джеремі ОґБрайен (Jeremy O Brien) з Брістольського університету, став висновок частинок через пачку оптоволоконних ниток до окремих детекторам.

Справа в тому, що організувати з'єднання чіпа з оптоволокном можна тільки у випадку, якщо відстань між сусідніми волноводами на виході перевищує 125 мікрометрів. Але на ділянці довжиною близько 700 мікрометрів хвилеводи сходилися на дистанцію до 2,8 мкм. А розвести їх занадто різко було не можна. Адже радіус закруглення хвилеводу має бути досить великий, щоб частинка відбивалася від його стінок, не покидаючи свою стежинку.

За розрахунками вчених, при використанні звичайного для серцевини хвилеводу матеріалу, діоксиду кремнію, мінімальна довжина ділянки з поворотами повинна становити кілька метрів, а це вже був би далеко не крихітний чіп.

Вирішити проблему вдалося, створивши хвилеводи з оксинитрида кремнію.

Велика різниця в показнику заломлення між такою серцевиною і кремнієвої оболонкою дозволила зробити більш круті вигини і зменшити довжину вихідного ділянки лабіринту до декількох міліметрів.


Мікрофотографія" віяла "хвилеводів з 21 виводом і трьома входами. Справа вгорі: розподіл світла по виходах при запуску в чіп лазерного випромінювання з довжиною хвилі 810 нанометрів. Справа внизу: моделювання розповсюдження через масив одиночного фотона (ілюстрація Peruzzo et al.).

У вирішальному експерименті брали участь пари ідентичних фотонів, для створення яких за стандартною методикою спонтанного параметричного розсіяння вчені використовували лазер c довжиною хвилі 402 нанометра і нелінійний кристал бората вісмуту BiB3O6.

Коли ідентичні фотони потрапили в систему хвилеводів, автори досвіду спостерігали очікуваний ефект квантової інтерференції. Далі для порівняння фізики спробували трохи затримати надходження другого частинки. Картина на виході стала відповідати класичній інтерференції. (Деталі - у статті в Science.)

"Тепер, коли ми можемо реалізувати двофотонної" квантову прогулянку ", ми зможемо перейти до спостереження за трьома і більше фотонами, - оптимістично заявляє ОґБрайен в прес-релізі університету Брістольського. - Кожного разу, коли ми додаємо фотон, складність проблеми, яку ми можемо вирішити, зростає експоненціально, тобто, умовно кажучи, однофотонная система такого роду може дати 10 результатів, двофотонної - 100, трехфотонная - тисячу, і так далі ".


У постановці експерименту британським новаторам допомагали колеги з університетів Тохоку (Tohoku University), Твента (University of Twente) і інституту Вайцмана (Weizmann Institute) (фото Dirk Dahmer, bristol.ac.uk). ' width=478 height=318>

Від Брістоля в дослідженні також взяли участь Джонатан Метьюс (Jonathan Matthews), ліворуч, і Костас Поуліос (Kostas Poulios). На врізці - Джеремі.
У постановці експерименту британським новаторам допомагали колеги з університетів Тохоку (Tohoku University), Твента (University of Twente) і інституту Вайцмана (Weizmann Institute) (фото Dirk Dahmer, bristol.ac.uk ).

Слід пояснити, що раніше квантове випадкове блукання вже вдавалося спостерігати на прикладі одиночних фотонів. Але, на жаль, результат однофотонної прогулянки не відрізняється від того, що можна очікувати, описуючи частинку як класичну світлову хвилю (стаття за 2003 рік в Physical Review A).

Тільки в двофотонної (і більше) схемою починають проявлятися чудасії світу квантової механіки. Вони то і дозволяють, теоретично, закодувати величезну інформацію в експоненціально зростаючий просторі станів декількох взаємодіючих частинок світла.

ОґБрайен і колеги вважають, що при неухильному розвитку даної технології, менш ніж за десять років з'явиться комп'ютер, який зможе проводити обчислення , що виходять далеко за межі можливостей класичних машин.
Статьяполучена: Membrana.ru

Детальніше »