Секреты квантового света: как ученые приближают эру оптических компьютеров
Опубликовано на 21 апреля, 2024
Мир квантовой механики полон загадок и парадоксов, которые бросают вызов нашему привычному восприятию реальности. Один из таких феноменов — квантовая интерференция — стал ключевым инструментом в руках ученых, стремящихся разгадать тайны Вселенной и создать принципиально новые технологии.
Автор: Designer
Недавно международная команда исследователей под руководством Филиппа Вальтера из Венского университета совершила настоящий прорыв в этой области. Им удалось добиться квантовой интерференции между несколькими одиночными фотонами, используя уникальную платформу с минимальным расходом ресурсов. Это открытие, опубликованное в журнале Science Advances, может стать настоящей революцией в области квантовых вычислений, открывая путь к созданию более мощных и масштабируемых квантовых компьютеров.
Но что же такое квантовая интерференция и почему она так важна? Представьте себе рябь на поверхности воды, возникающую от брошенного камня. Волны, расходясь от центра, встречаются и взаимодействуют друг с другом, создавая сложный узор. Аналогично, фотоны, частицы света, обладают волновыми свойствами и могут интерферировать, усиливая или ослабляя друг друга.
Многофотонная интерферометрическая сеть временного интервала. (А) Многофотонный процессор с временным интервалом. Процессор реализован одним источником одного фотона, одним интерферометром с петлей времени и одним детектором. (B) Представление многомодового интерферометра с интервалом времени. Комбинация перестраиваемого светоделителя и петли задержки реализует сеть m мод: произвольную последовательность операций светоделителя между последовательными временными интервалами, с коэффициентами отражения m − 1 R(kτ), k = 1, …, m − 1. Входные интервалы времени содержат либо вакуум, либо один фотон. Граничные начальная и конечная отражательные способности R(0) = R(mτ) = 1 корректно инициализируют и завершают эксперимент с интервалом времени. (C) Изображение установки. Источником (слева) является InGaAs QD, соединенный с резонатором микростолба и поддерживаемый при температуре 4 К внутри криостата. Конфокальная установка используется для накачки и сбора резонансной флуоресценции, а затем направляется на интерферометр с интервалом времени: эффективный изменяющийся во времени светоделитель с двумя входами I1 и я2 и два выхода O1 и O2, с одним выходом, подключенным (закольцованным) к одному входу через оптоволоконную задержку 100 нс (~20 м). Электрооптический фазовый модулятор (EOM) в свободном пространстве управляет изменяющейся во времени отражательной способностью, которая может быть перенастроена на любое значение каждые 100 нс. HWPs H1 и H2 выдерживают температуру π/8°. H3 и QWPs Q3 убедиться в том, что свет, проходящий через контур, поступает с вертикальной поляризацией на вход контура I2 снова. После многократного прохождения петли все фотоны и временные ячейки выходят из интерферометра и регистрируются только одним детектором. Результирующая статистика восстанавливается по событиям постобработки, зарегистрированным временным теггером.
Автор: Lorenzo Carosini et al., Programmable multiphoton quantum interference in a single spatial mode.Sci. Adv.10,eadj0993(2024).DOI:10.1126/sciadv.adj0993(CC-BY 4.0)Источник: www.science.org
В обычных экспериментах с несколькими фотонами для создания интерференции используется пространственное кодирование. Это значит, что фотоны направляются по разным путям, подобно тому, как камни бросают в разные места на поверхности воды. Однако такой подход требует сложного оборудования и множества компонентов, что затрудняет его масштабирование.
Венская команда пошла другим путем, используя временное кодирование. Вместо того, чтобы манипулировать пространственным расположением фотонов, ученые управляли их временными характеристиками. Для этого они разработали инновационную архитектуру на основе волоконно-оптической петли, которая позволяет многократно использовать одни и те же оптические компоненты, достигая высокой эффективности при минимальных затратах.
Экспериментальная проверка. (А) Валидация по однородному пробоотборнику. Для каждого обнаруженного многофотонного события вычисляется оценка порядочной нормы (RNE), а счетчик обновляется в соответствии с его значением. Увеличивающийся счетчик указывает на то, что данные получены от подлинной бозонной интерференции. Для наглядности мы включили только первые 300 случайно выбранных событий для каждого эксперимента. (B — E) Валидация по различимому пробоотборнику для экспериментов с 5, 6, 7 и 8 фотонами соответственно. На графиках показаны значения P, полученные с помощью метода валидации на основе машинного обучения, используемого для исключения того, что фотоны в нашем аппарате не проявляют бозонной интерференции. Пунктирные кривые относятся к численно сгенерированным выборкам, которые использовались для выбора значений гиперпараметров (а именно, количества кластеров и размера выборки), гарантируя, что алгоритм может эффективно отбрасывать выборки, взятые из различимых входных сигналов фотонов, и распознавать как совместимые выборки, полученные из неразличимых входов фотонов. Размер сравниваемых выборок колеблется от 300 (для восьмифотонного эксперимента) до 700 (для шестифотонного эксперимента). Всякий раз, когда размер экспериментальных выборок превышал выбранный размер выборки, мы случайным образом извлекали выборки из имеющихся экспериментальных данных 100 раз и оценивали значение P, соответствующее среднему значению χ2 Переменные. Только для случая n = 8 малый размер выборки слишком мал, чтобы окончательно отвергнуть выборки, взятые из различимого входного распределения фотонов. Однако мы можем наблюдать, что экспериментальное значение P сходится ближе к неразличимому выборочному случаю.
Автор: Lorenzo Carosini et al., Programmable multiphoton quantum interference in a single spatial mode.Sci. Adv.10,eadj0993(2024).DOI:10.1126/sciadv.adj0993(CC-BY 4.0) Источник: www.science.org
В результате исследователям удалось наблюдать квантовую интерференцию между восемью фотонами — это существенно больше, чем в большинстве существующих экспериментов. Более того, архитектура обладает высокой гибкостью, что позволяет изменять интерференционную картину и масштабировать эксперимент без необходимости менять оборудование.
Это открытие — важный шаг на пути к созданию практических квантовых компьютеров, которые смогут решать задачи, недоступные для современных компьютеров. Новые технологии, основанные на квантовой интерференции, могут найти применение в самых разных областях, от разработки новых материалов и лекарств до создания абсолютно безопасных систем связи и моделирования сложных физических процессов.
Квантовый танец фотонов, тщательно организованный учеными, открывает перед нами дверь в будущее, где границы возможного раздвигаются все дальше, а технологии, казавшиеся фантастикой, становятся реальностью.
