Квантовий прорив: новий метод генерації одного фотона на кристалі

Шум навколо майбутнього квантових технологій продовжує зростати, оскільки дослідники намагаються використати потенціал суперпозиційованих, заплутаних і тунельних квантових частинок. Ці частинки мають унікальну здатність існувати в двох станах одночасно, що може значно підвищити потужність і ефективність у багатьох застосуваннях.

За словами Кам’яра Парто, доктора філософії. студент Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі та співавтор статті, опублікованої в Nano Letters, поточний стан квантових пристроїв «приблизно там, де комп’ютер був у 1950-х роках», або на самому початку свого розвитку. Парто працює в лабораторії Галана Муді, відомого експерта з квантової фотоніки та доцента кафедри електротехніки та комп’ютерної інженерії. У документі детально описано значний прорив у цій галузі – створення «фабрики» на чіпі для генерації стабільного та швидкого потоку одиночних фотонів, які мають вирішальне значення для розвитку квантових технологій на основі фотонних технологій.

На ранніх стадіях розробки комп’ютерів Парто пояснив: «Дослідники щойно зробили транзистор, і у них були ідеї, як зробити цифровий комутатор, але платформа була слабкою. Різні групи розробили різні платформи, і врешті-решт усі зійшлися на CMOS (комплементарний металооксидний напівпровідник). Тоді ми мали величезний вибух навколо напівпровідників.

«Квантова технологія знаходиться в тому ж положенні — у нас є ідея та відчуття того, що ми можемо з нею зробити, і є багато конкуруючих платформ, але поки немає явного переможця», — продовжив він. «У вас є надпровідні кубіти, спінові кубіти в кремнії, електростатичні спінові кубіти та квантові комп’ютери на основі іонних пасток. Microsoft намагається створювати топологічно захищені кубіти, а в Moody Lab ми працюємо над квантовою фотонікою».

Парто передбачає, що платформа-переможець буде комбінацією різних платформ, враховуючи, що кожна потужна, але також має обмеження. «Наприклад, дуже легко передавати інформацію за допомогою квантової фотоніки, тому що світло любить рухатися», — сказав він. «Однак обертовий кубіт полегшує зберігання інформації та виконання деяких локальних «речей» на ній, але ви не можете переміщувати ці дані. Отже, чому б нам не спробувати використати фотоніку, щоб перенести дані з платформи, яка їх краще зберігає, а потім знову перетворити їх в інший формат, коли вони там будуть?»

Кубіти, ці дивовижні драйвери квантових технологій, звичайно, відрізняються від класичних бітів, які можуть існувати лише в одному стані нуль або одиниця. Кубіти можуть бути як одиницею, так і нулем одночасно. У сфері фотоніки, сказав Парто, один фотон можна змусити як існувати (стан один), так і не існувати (стан нуль).

Це тому, що один фотон становить так звану дворівневу систему, що означає, що він може існувати в нульовому стані, стані одиниці або будь-якій комбінації, наприклад 50% одиниці та 50% нуля, або, можливо, 80% одиниці та 20% нуль. У групі Moody це можна робити регулярно. Завдання полягає в тому, щоб генерувати та збирати окремі фотони з дуже високою ефективністю, наприклад, направляючи їх на чіп за допомогою хвилеводів. Хвилеводи роблять саме те, що випливає з назви, спрямовуючи світло туди, куди йому потрібно, подібно до того, як дроти направляють електрику.

Парто пояснив: «Якщо ми помістимо ці окремі фотони в багато різних хвилеводів — по тисячі окремих фотонів на кожному хвилеводі — і ми начебто хореографуємо, як фотони рухаються по хвилеводах на чіпі, ми зможемо виконати квантове обчислення».

Хоча відносно просто використовувати хвилеводи для маршрутизації фотонів на чіпі, виділити один фотон нелегко, а налаштувати систему, яка швидко й ефективно виробляє їх мільярди, набагато важче. Нова стаття описує техніку, яка використовує своєрідне явище для генерації одиночних фотонів з ефективністю, яка є набагато більшою, ніж досягнуто раніше.