Российские ученые в составе международной группы исследователей подтвердили возможность эффективного взаимодействия между микроволновыми фотонами. Они создали условия для их взаимодействия через сверхпроводящие кубиты и передали квантовую информацию с одного чипа на другой. Работа может стать шагом к решению проблемы квантовой памяти и приблизить создание коммерческих квантовых устройств. Статья опубликована в журнале npj Quantum Materials.
Группа ученых из НИТУ «МИСиС», Российского квантового центра, Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе и Технологического института Карлсруэ впервые продемонстрировала возможность эффективного взаимодействия между фотонами с использованием цепочки сверхпроводящих кубитов — квантовых аналогов битов в волноводе. В своей работе исследователи использовали фотоны, представляющие собой кванты электромагнитного поля с частотой около нескольких гигагерц и длиной волны в несколько сантиметров.
«Использование сверхпроводящих кубитов, которые, по сути, являются рукотворными атомами, объясняется тем, что для данного типа объектов характерно очень сильное взаимодействие со светом. Обычные атомы намного меньше, чем длина волны. Взаимодействие обычного света с естественным атомом довольно слабое. Сверхпроводниковые кубиты можно собрать руками, и их размеры составляют доли миллиметра, что дает возможность значительно увеличить дипольный момент и поляризуемость этих объектов. Таким образом, возникает сильное взаимодействие между электромагнитным полем и локальным электромагнитным возбуждением внутри кубита. То есть фактически возникает сильное взаимодействие между светом и материей, чего в естественных атомах добиться сложно», — поясняет соавтор работы, заведующий лабораторией «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» и руководитель группы в Российском квантовом центре Алексей Устинов.
В существующих вычислительных устройствах информацию передают электроны. Их замена на фотоны позволит передавать данные со скоростью света. Однако для этого фотоны нужно заставить взаимодействовать между собой, меняя при этом свое состояние. Это сложно сделать, поэтому современные квантовые компьютеры на фотонах работают по вероятностным принципам, что делает их не вполне универсальными. Сверхпроводящие кубиты — наиболее популярные кубиты для квантовых вычислительных устройств. Однако компьютеры на сверхпроводниковых кубитах необходимо охлаждать до сверхнизких температур. Наибольшее число кубитов, обеспечивающее вычислительную мощность, ограничено размерами криостатов.
Для решения этой задачи ученые использовали волновод — направляющий канал, в котором может распространяться световая волна. Так они создали одномерное пространство. В трехмерном пространстве нельзя предсказать направление излучения, однако в волноводе есть только два варианта. За счет взаимодействия с кубитами фотоны начинают эффективно взаимодействовать друг с другом. Они обмениваются квантовой информацией вполне определенным образом. Таким образом можно изменять квантовое состояние фотонов.
За счет взаимодействия с массивом кубитов в фотонном спектре возникает интервал частот, в котором волновод становится непрозрачным. То есть фотоны просто отражаются между разными кубитами, так как они не могут поглотиться. Это стало свидетельством того, что описанное в исследовании эффективное взаимодействие между фотонами действительно существует. Дальнейшие исследования могут лечь в основу более масштабных экспериментов с большим числом кубитов, которые приблизят создание коммерческих квантовых вычислительных устройств.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
