Речь идет о реализации полностью оптического вентиля CNOT (контролируемое отрицание). У такого вентиля поступающий на вход кубит передается на выход неизменным, если на втором управляющем входе ноль, но изменяется на противоположный, если на управляющем входе единица. Ранее вентиль уже был реализован на лабораторном оптическом столе с помощью сложного набора зеркал, смесителей и делителей лучей, а также сопутствующего оборудования. Разумеется, о практическом использовании подобных конструкций никто и не помышлял. Теперь ученым удалось вместить сразу сотню таких вентилей в небольшой кремниевый чип, изготовленный с помощью обычной фотолитографии.
Громоздкую настольную конструкцию заменили шесть параллельных оптических волноводов из кварца размером 3,5х3,5 мкм, рассчитанных на излучение лазера с длиной волны 804 нм. Волноводы в чипе разнесены на десятки микрон, но на пяти отрезках некоторые из них попарно сближаются на расстояние порядка длины волны так, чтобы фотоны могли с заданной вероятностью туннелировать из одного волновода в другой. Похожие волноводные разделители лучей сегодня часто используют в оптическом телекоммуникационном оборудовании.
Если два летящих по соседним волноводам фотона одновременно попадают на участок сближения, то фотоны испытывают там квантовую интерференцию и "запутываются" между собой. Весь оптический вентиль CNOT работает довольно хитрым образом, трижды "перепутывая" фотоны из пар входных и управляющих волноводов.
Эксперименты показали, что чип получился удачным и вероятность успеха каждого квантового "запутывания" и других оптических процессов в нем более 92%. Тем не менее вероятность того, что весь вентиль сработает успешно, пока не превышает 11%. В принципе, эту трудность легко обойти, установив дополнительные волноводы для проверки успешности срабатывания вентиля. Над этим и над задачей интеграции излучателей и фотоприемников непосредственно в оптический чип ученые и трудятся сегодня. ГА
О пользе путаницы
Блестящая идея пришла в голову профессору Массачусетского технологического института Сету Ллойду (Seth Lloyd). Пока специалисты по квантовой информации безуспешно борются с тепловым шумом, который быстро разрушает нежные квантовые состояния, ученый решил "перевернуть" задачу и использовать квантовые состояния именно для борьбы с шумом.
Для решения (пока, к сожалению, только умозрительного) этой задачи пригодилась уже созданная теория и накопленный опыт работы с запутанными квантовыми состояниями частиц, в которых одна частица "чувствует" состояние своей "напарницы". В работе речь идет о фотонах и оптике, но сама идея применима и к любым другим квантовым частицам.
Обычно в оптической системе для получения изображений (вроде микроскопа или кинокамеры) требуется сначала осветить объект, а потом регистрировать отраженный им свет. И если освещение слабое, а в фотоприемник попадают лишние фотоны от случайных источников, то изображение размывается вплоть до полной неразличимости. Обычный фотоприемник не в состоянии отличить отраженные объектом и несущие полезную информацию фотоны от фотонов шума, но квантовый подход, в принципе, позволяет это сделать.
Для этого профессор предлагает взять пару запутанных фотонов, одним из которых можно осветить объект, а второй оставить для последующего сравнения с первым, дабы отличить его от фотонов шума, когда он вернется, отразившись от объекта. Как именно это сделать, пока не очень понятно. Можно, например, сложить два запутанных фотона в нелинейном кристалле так, чтобы получить один с вдвое большей энергией и уже его регистрировать фотоприемником. Обратный процесс, называемый даунконверсией, обычно используют как раз для получения пар запутанных фотонов. Но тут еще нужно угадать время задержки для второго фотона, равное времени полета первого фотона до объекта и обратно. Если подобные трудности удастся преодолеть, то, согласно предложенной теории, можно будет существенно улучшить отношение сигнала и шума оптической системы. И это улучшение тем сильнее, чем лучше фотоны запутаны.
