Физики из России превратили квантовый бит в "светофор" для света

Ученые из МФТИ и зарубежных институтов превратили кубит, элементарную ячейку квантового компьютера, в своеобразный "светофор" для частиц света, что позволило им создать очень надежный излучатель одиночных фотонов, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Communications. "Единичный фотон невозможно перехватить, не изменив его состояние, поэтому применение данного источника в квантовых системах передачи данных обеспечит абсолютно безопасную передачу данных. Кроме того, он может использоваться в квантовых симуляторах, моделирующих сложные квантово-механические системы, и для изучения фундаментальных взаимодействий между фотонами и веществом", — рассказывает Олег Астафьев из Московского Физтеха в Долгопрудном, чьи слова передает пресс-служба вуза. Астафьев, сотрудники его лаборатории и зарубежные коллеги уже долгое время работают над созданием кубитов на базе сверхпроводниковых материалов и так называемых переходов или контактов Джозефсона, представляющих собой два кусочка сверхпроводника, разделенных тонким слоем изолирующего материала. Кубиты, построенные из нескольких джозефсоновских контактов, ведут себя как атомы. Они могут находиться в основном и возбужденном состоянии, излучать и поглощать фотоны. Эти кубиты могут быть созданы с помощью существующих методов литографии, на которых основано современное производство микросхем. Подобные кубиты, как показали последние эксперименты команды Астафьева, можно использовать в качестве своеобразного "шлагбаума" для частиц света, превращающих ячейку памяти квантового компьютера в очень надежный и удобный для работы однофотонный излучатель света. Как объясняют ученые, однофотонные лазеры и излучатели света представляют собой сегодня достаточно сложные и громоздкие конструкции, состоящие из множества компонентов, необходимых для того, чтобы заставить вырабатываемые ими частицы света двигаться в нужную сторону небольшими порциями по одному или двум фотонам. Главная проблема при их создании заключается в том, что фотоны крайне редко ведут себя "послушно" и рождающиеся частицы света обычно летят в произвольных направлениях, а не только в сторону "выхода" из излучателя, что усложняет конструкцию излучателей и не дает им работать в "чистом" однофотонном режиме. Астафьев и его коллеги решили эту проблему остроумным способом – они заметили, что кубит, размещенный между двумя микроволновыми световодами, будет поглощать только часть фотонов, "бомбардирующих" его, поглощать и переизлучать их в одну определенную сторону. Это будет происходить только в том случае, если кубит будет расположен между ними ассиметрично, заметно ближе к световоду, играющему роль "выхода", чем к "входу". Свойства подобных одиночных фотонов, как показали эксперименты российских и зарубежных физиков, будут зависеть от того, что содержится в кубите, что позволяет гибко управлять работой такого излучателя, манипулируя кубитом при помощи магнитных полей. Это необычное свойство сверхпроводящих кубитов позволяет заметно упростить устройство однофотонных излучателей света, улучшить эффективность их работы и достичь рекордно высоких КПД, превышающих 65%. Способность работать в широком спектре длин волн и высокая эффективность, как считает Астафьев, поможет этому излучателю стать основой для квантовых компьютеров и световых систем передачи данных будущего.