Физики запутали рекордное количество фотонов: как это повлияет на квантовое будущее

Ученые давно мечтают о том, чтобы использовать возможности квантового мира для решения практических проблем реального мира. В ходе нового исследования физики приблизились к этому, запутав рекордное количество фотонов с высокой эффективностью. «Хайтек» рассказывает главное о новом эксперименте.

Явления квантового мира, которые часто кажутся причудливыми, давно применяют в технике. Например, запутанность: квантово-физическую связь между частицами, которая странным образом связывает их даже на больших расстояниях. Ее можно использовать для создания квантового компьютера. В отличие от обычного компьютера, такая машина выполняет множество математических операций одновременно.

В чем проблема?

Однако чтобы использовать квантовый компьютер на полную мощность, все запутанные частицы должны работать вместе. Речь идет о базовых элементах для вычислений — кубитах.

Идеально для этого подходят фотоны — частицы света. Дело в том, что они достаточно «прочные» по своей природе и ими легко манипулировать. Теперь сотрудники Института квантовой оптики Макса Планка (Max Planck Institute of Quantum Optics, MPQ) в Гархинге приблизились к тому, чтобы сделать фотоны пригодными для практической работы, например, для квантовых вычислений. Ученые определенным образом сгенерировали 14 запутанных фотонов с высокой эффективностью.

Как прошел эксперимент?

Особенность нового эксперимента в том, что ученые использовали один атом, чтобы добиться эмиссии фотонов и «переплести» их специфическим образом. Для этого сотрудники Института Макса Планка поместили атом рубидия в центр оптического резонатора — своего рода «эхо-камеру» для электромагнитных волн.

Экспериментальная установка с вакуумной камерой на оптическом столе. Фото: MPQ

С помощью лазерного излучения определенной частоты они точно определили состояние атома. Используя дополнительный импульс, ученые также специально вызвали эмиссию фотона, которая связана с квантовым состоянием атома.

В ходе эксперимента ученые повторили этот процесс несколько раз. В промежутках атомом манипулировали определенным образом — проще говоря, «вращали». Таким образом физики создали цепочку из 14 частиц света, которые запутывались друг с другом за счет вращения атомов и приводились в нужное состояние.

На данный момент 14 взаимосвязанных частиц света — это самое больше количество запутанных фотонов, которые до сих пор генерировали в лаборатории.

Две возможности нового метода

Но не только количество запутанных фотонов очень важно для разработки мощных квантовых компьютеров — способ их генерации также сильно отличается от обычных методов.

«Поскольку цепочка фотонов возникла из одного атома, ее можно было произвести детерминированным образом», — объясняют ученые в пресс-релизе к новому исследованию. Это значит, что, в принципе, каждый импульс действительно доставляет фотон «на место» с нужными свойствами.

До сих пор запутывание этих частиц обычно происходило в специальных нелинейных кристаллах. Проблема в том, что там частицы света создаются случайным образом и не поддаются контролю. В итоге это ограничивает количество частиц, которые можно объединить в коллективном взаимодействии.

Установка оптического резонатора в вакууме. Одиночный атом рубидия захвачен между зеркалами конической формы внутри держателя. Фото: MPQ

С другой стороны, метод, который разработали в ходе нового исследования, позволяет генерировать практически любое количество запутанных фотонов. Кроме того, он очень эффективен. А, значит, его можно применить на практике в будущем. Так, ученые измерили образующуюся цепочку фотонов и доказали ее 50-процентную эффективность.

Почти каждое второе «нажатие кнопки» на атоме рубидия доставляло пригодную для использования легкую частицу. В предыдущих экспериментах ученые не могли такого добиться. Новая работа устраняет давнее препятствие на пути к масштабируемым квантовым вычислениям на основе измерений, подчеркивают ученые.

Что дальше?

Теперь сотрудники MPQ хотят решить еще одну проблему квантового будущего. Например, сложные вычислительные операции потребуют по крайней мере двух атомов в качестве источников фотонов в резонаторе. «Мы уже работаем над решением этой задачи», — объясняют ученые в заявлении.

Сотрудники Макса Планка также заявили, что технологию можно применить не только для квантовых вычислений. Например, она пригодится в квантовой связи — передаче информации по оптоволокну с защитой от прослушивания. Из-за таких оптических эффектов, как рассеяние и поглощение, в оптоволокне свет «теряется» во ходе распространения. Это очень ограничивает расстояние, на котором могут передаваться данные.

Читать далее:

Солнечное пятно размером с Землю выросло в 10 раз за 2 дня: оно направлено на нас

Это «близнец» Земли в прошлом: найдена уникальная планета-океан недалеко от нас

Эйнштейн снова оказался прав: спустя полвека физики доказали стабильность черных дыр

Подписывайтесь
на наши каналы в Telegram

«Хайтек»новостионлайн

«Хайтек»Dailyновости 3 раза в день

Первая полоса
Астрономы сфотографировали «детство Вселенной» до появления галактик
Космос
Прощальные кадры: лунный модуль сфотографировал закат на Луне
Наука
Гены загадочных предков людей повлияли на работу мозга, показало исследование
Наука
В Петербурге открыли лабораторию для создания компьютеров, которые имитируют работу мозга
Наука
Телескоп «Евклид» показал 26 млн галактик: опубликованы первые результаты миссии
Космос
Крошечных морских животных увеличили в пять раз, чтобы рассмотреть их клетки
Наука
В Сеченовском Университете появится «умная» операционная 
Новости
Операторы связи начали заменять китайское оборудование на российское
Новости
В России хотят обязать использование отечественных процессоров для ИИ
Новости
Посмотрите на первого робота-гуманоида Nvidia в действии
Новости
Образцы с обратной стороны Луны показали, какой она была в прошлом
Космос
Морские интернет-кабели научились «прослушивать» на предмет саботажа
Новости
Нового рекорда на термоядерном синтезе добились в России
Наука
Российские ученые разработали материалы для памяти будущего  
Наука
Выяснилось, какие мутации ДНК ускоряют старение  
Наука
«Суперджет» с российскими двигателями ПД-8 впервые поднялся в воздух
Новости
Светочувствительные нановолокна ускорили рост нейронов  
Наука
ChatGPT может «заболеть» тревожностью и депрессией, но есть способ его «успокоить»  
Новости
Москва сократила выбросы углерода на 190 000 тонн благодаря электробусам  
Новости
Игуаны совершили рекордное путешествие миллионы лет назад: они проплыли по океану 8 000 км
Наука