Новый путь для квантовой технологии
Ученые из Австралии впервые продемонстрировали защиту коррелированных состояний между парными фотонами — пакетами световой энергии, используя интригующую физическую концепцию топологии. Этот экспериментальный прорыв открывает путь для создания нового типа квантовых битов, строительных блоков для квантовых компьютеров.
«Теперь мы можем предложить путь для создания надежных запутанных состояний для логических ворот с использованием защищенных пар фотонов», — сказала ведущий автор доктор Андреа Бланко-Редондо из Университета Сиднея Nano Institute.
Логические ворота — это коммутаторы, необходимые для работы алгоритмов, написанных для квантовых компьютеров. Классические вычислительные переключатели находятся в простых двоичных формах нуля или единицы. Квантовые переключатели существуют в состоянии «суперпозиции», объединяющей ноль и один.
Чтобы раскрыть потенциал квантовой технологии, ученым необходимо найти способ защитить запутанную суперпозицию квантовых бит — или кубитов — на наноуровне. Попытки достичь этого с помощью сверхпроводников и захваченных ионов показали, что они очень перспективны, но в тоже время очень восприимчивы к электромагнитным помехам, что делает их трудно-применимыми.
Использование фотонов — пакетов световой энергии, а не электронов, было одной из предложенных альтернатив для построения логических затворов, которые могут вычислять квантовые алгоритмы.
Фотоны, в отличие от электронов, хорошо изолированы от тепловой и электромагнитной среды. Однако масштабирование квантовых устройств на основе фотонных кубитов до сих пор было ограничено из-за потерь рассеяния и других ошибок.
«Мы разработали новую решетчатую структуру кремниевых нанопроволок, создав особую симметрию, которая обеспечивает необычную надежность корреляции фотонов. Симметрия помогает создавать и направлять эти коррелированные состояния», — сказала Андреа Бланко-Редондо.
Изображение: Jayne Ion/University of Sydney
Каналы, или волноводы, изготовленные с использованием кремниевых нанопроводов шириной всего 500 нанометров, выстраивались попарно с намеренным дефектом симметрии посередине, создавая две решетчатые структуры с различной топологией и промежуточным «ребром».
Эта топология позволяет создавать специальные режимы, в которых фотоны могут соединяться, называемые «краевыми режимами». Эти режимы позволяют передавать информацию, переносимую парными фотонами, надежным способом, который в противном случае был бы рассеян и потерян через однородную решетку.
Фотоны были созданы с помощью сверхкоротких лазерных импульсов высокой интенсивности, той же самой технологии, за которую Донна Стрикленд и Жерар Моуру были удостоены Нобелевской премии по физике 2018 года.
Впечатление художника о коррелированных фотонах на решетке из нанопроволоки с топологическим дефектом. Sebastian Zentilomo/University of Sydney
«Topological protection of biphoton states» Science (2018). science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.aau4296