Два фотона впервые отправились на квантовую прогулку
Недавно команда учёных из Англии, Японии, Нидерландов и Израиля совершила опыт со своеобразным поведением пары фотонов, которое ранее только предсказывалось теорией. Прорыв в фотонике обещает открыть новое направление в квантовых компьютерах, каковые имели возможность бы делать моделирование сверхсложных биологических, химических и физических совокупностей.
Квантовая прогулка либо квантовое блуждание (quantum walk) — это занимательный эффект, порождаемый изюминками квантовых частиц. В математике существует аналог – процесс случайного блуждания, и он окажет помощь нам осознать сущность прогулки.
Самый простой её пример – одномерный. В случае если забрать за точку начала перемещения частицы 0, а ход принять за 1, то в ходе для того чтобы блуждания объект будет смещаться на единицу влево либо вправо, причём выбор того либо иного направления – случаен.
Как нетрудно заметить, по окончании двух шагов (как будто бы мы подкинули монетку два раза) частица окажется или в точке 2, или в -2, или возвратится к 0. На пятом шаге мы можем взять итог 5, -5, 3, -3, 1 и -1.
В квантовом блуждании нужно учесть, что частица, перемещающаяся, например, по ветвящимся волноводам, до измерения находится в суперпозиции вероятных собственных состояний. Говоря упрощённо, направленный на светоделитель фотон будет двигаться «сходу по двум направлениям».
А вдруг дорожки сближены, обязана происходить интерференция таких состояний.
И совсем уже сложная картина получается, в случае если на входе для того чтобы лабиринта по двум соседним волноводам было подано два фотона. Их сотрудничество будет оказывать влияние на возможность попадания каждой из частиц в тот либо другой выход сети.
На этом графическом представлении одновременного квантового блуждания двух фотонов интенсивность свечения точек соответствует возможности появления частиц в той либо другой позиции.
Две области повышенной возможности – отличительная черта реализованного физиками процесса (иллюстрация University of Bristol).
Как раз таковой процесс организовали экспериментаторы, выстроив маленький чип с волноводами (он и продемонстрирован на фото под заголовком). Главной проблемой, как информирует участник работы Джереми О´Брайен (Jeremy O´Brien) из Бристольского университета, стал вывод частиц через пачку оптоволоконных нитей к отдельным детекторам.
Дело в том, что организовать соединение чипа с оптоволокном возможно лишь , если расстояние между соседними волноводами на выходе превышает 125 микрометров. Но на участке длиной около 700 микрометров волноводы сходились на расстояние до 2,8 мкм.
А развести их через чур быстро было нельзя. Так как радиус закругления волновода должен быть велик, дабы частица отражалась от его стенок, не покидая собственную тропку.
По расчётам учёных, при применении простого для сердцевины волновода материала, диоксида кремния, минимальная протяженность участка с поворотами должна быть равна пара метров, а это уже был бы далеко не маленький чип.
Решить проблему удалось, создав волноводы из оксинитрида кремния. Громадная отличие в показателе преломления между кремниевой оболочкой и такой сердцевиной разрешила сделать более крутые изгибы и уменьшить длину выходного участка лабиринта до нескольких миллиметров.
Микрофотография «веера» волноводов с 21 выводом и тремя входами.
Справа вверху: распределение света по выходам при запуске в чип лазерного излучения с длиной волны 810 нанометров. Справа внизу: моделирование распространения через массив одиночного фотона (иллюстрация Peruzzo et al.).
В решающем опыте учавствовали пары аналогичных фотонов, для которых по стандартной методике спонтанного параметрического рассеяния учёные применяли лазер c длиной волны 402 нанометра и нелинейный кристалл бората висмута BiB3O6.
В то время, когда аналогичные фотоны попали в совокупность волноводов, авторы опыта замечали ожидаемый эффект квантовой интерференции. Потом для сравнения физики попытались чуть задержать поступление второй частицы. Картина на выходе начала соответствовать хорошей интерференции. (Подробности – в статье в Science.)
«Сейчас, в то время, когда мы можем реализовать двухфотонную „квантовую прогулку“, самое время перейти к наблюдению за тремя и больше фотонами, – оптимистично заявляет О´Брайен в пресс-релизе Бристольского университета. – Любой раз, в то время, когда мы добавляем фотон, сложность неприятности, которую мы можем решить, возрастает экспоненциально, другими словами, условно говоря, однофотонная совокупность для того чтобы рода может дать 10 результатов, двухфотонная – 100, трёхфотонная – 1000, и без того потом».
От Бристоля в изучении кроме этого участвовали Джонатан Мэтьюс (Jonathan Matthews), слева, и Костас Поулиос (Kostas Poulios).
На врезке – Джереми.В постановке опыта английским новаторам помогали коллеги из университетов Тохоку (Tohoku University), Твента (University of Twente) и университета Вайцмана (Weizmann Institute) (фото Dirk Dahmer, bristol.ac.uk).
направляться пояснить, что ранее квантовое случайное блуждание уже получалось замечать на примере одиночных фотонов. Но, увы, итог однофотонной прогулки не отличается от того, что возможно ожидать, обрисовывая частицу как хорошую световую волну, в 2003 году об этом опыте рассказала статья (PDF-документ) в Physical Review A.
Лишь в двухфотонной (и более) схеме начинают проявляться причуды мира квантовой механики. Они-то и разрешают, теоретически, закодировать огромную данные в экспоненциально растущем пространстве состояний нескольких взаимодействующих частиц света.
О´Брайен и его сотрудники уверены в том, что при неуклонном развитии данной разработке менее чем за десять лет покажется компьютер, что сможет проводить вычисления, выходящие далеко за пределы возможностей хороших автомобилей.
