Группа исследователей под руководством Михаила Лукина из Гарвардского университета, а также Владана Вулетича из Массачусетского технологического института смогла достичь значительного прорыва в области физики света. Этим ученым удалось связать фотоны, элементарные частицы света, в своеобразные молекулы. Это фактически новое состояние материи, до сих пор остававшееся теоретическим, было реализовано благодаря уникальному эксперименту. Традиционно фотоны не взаимодействуют друг с другом из-за отсутствия массы. Однако, используя инновационные методы, команда исследователей смогла преодолеть этот барьер. Результаты их работы открывают новые возможности для развития технологий, которые до недавнего времени казались фантастикой, в том числе и создание световых мечей.
«Мы создали особый вид среды, в которой фотоны взаимодействуют настолько сильно, что ведут себя так, как если бы имели массу, из-за чего между ними появляется связь, позволяющая формировать «молекулы». Когда такие фотоны взаимодействуют, они отталкиваются, оказывая сопротивление друг другу. Физика происходящего с подобными «молекулами» сходна с той, которую мы наблюдаем в кино», – говорит наш бывший соотечественник.
Фиолетовый и зеленый — начальные лучи, желтый и синий — конечные. MPI for the Science of Light
Чтобы добиться этого, в эксперименте атомы рубидия закачивали в вакуумную камеру, где их облачко охлаждалось до температуры в несколько кельвинов. Затем слабыми лазерными импульсами в это облачко «забрасывали» отдельные фотоны. При столкновении с холодными атомами фотон был вынужден отдавать им энергию, теряя её и в итоге резко замедляясь. По мере продвижения фотона через облачко его энергия передаётся от атома к атому и в конечном счёте покидает облачко с тем же самым фотоном.
Что-то подобное можно наблюдать с преломлением света в стакане воды. По сути, у света, входящего в стакан, «забирается» часть энергии, а после выхода она «возвращается». Разница лишь в том, что среда из предельно холодных рубидиевых атомов отбирает куда больше энергии.
Следующим этапом учёные попробовали «выстрелить» в эту среду двумя фотонами одновременно. И на выходе как раз получилась устойчивая пара, похожая на молекулу.
Какова же причина? По словам Лукина, здесь сработал механизм ридберговской блокады. Когда один атом возбуждён, соседние не могут быть возбуждены до той же степени. И если фотон входит в облачко, он активирует атом, но должен уйти вперёд до того, как второй фотон возбудит другой атом. Поскольку энергия фотона-1 передаётся от атома к атому, словно в эстафете, он и фотон-2 всё время вынуждены двигаться вместе, в тесном взаимодействии.
Говоря о практических приложениях данного эффекта, физики отметили, что он чрезвычайно интересен в свете активно ведущихся сейчас исследований возможности создания квантовых систем хранения, передачи и обработки информации.
«Мы ещё не знаем, для чего это может быть полезно, но это – новое состояние материи, и мы надеемся, что области его применения станут более очевидны по мере того, как мы продолжим исследовать свойства этих необычных «фотонных молекул», – заключил Лукин.
Красные сферы означают молекулы-посредники, желтый луч — контрольный, красный — опытный. MPI for the Science of Light
Отечественные исследования
Также стало известно, что ученые НИТУ «МИСиС» в составе международной группы исследователей доказали возможность эффективного взаимодействия между микроволновыми фотонами. В ходе эксперимента исследователи создали условия для их взаимодействия через сверхпроводящие кубиты. Он показал возможность передачи квантовой информации с одного чипа на другой в виде микроволновых фотонов. Работа, опубликованная в npj Quantum Materials, может стать шагом к решению проблемы квантовой памяти и приблизить создание коммерческих квантовых устройств.
В существующих вычислительных устройствах информацию передают электроны. Ученые считают, что если заменить их на фотоны — кванты света и кодировать их квантовой информацией, то передавать данные можно будет буквально со скоростью света. Но для того чтобы эту информацию использовать, фотоны необходимо заставить каким-то образом взаимодействовать между собой и менять свое состояние в результате такого взаимодействия. Сделать это довольно сложно, поэтому квантовые компьютеры на фотонах работают по вероятностным принципам, что делает их не вполне универсальными.
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 компьютерной памяти, 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 один из авторов исследования, заведующий лабораторией «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» и руководитель группы в Российском квантовом центре, профессор, доктор физ.-мат. наук Алексей Устинов.
На сегодняшний день сверхпроводящие кубиты являются самым популярным и перспективным типом кубитов. На их основе чаще всего разрабатывают квантовые вычислительные устройства. При этом компьютеры, работающие на сверхпроводниковых кубитах, необходимо охлаждать до сверхнизких температур – менее 50 милликельвин. Наиболее мощные из существующих на данный момент сверхпроводниковых квантовых компьютеров имеют в своем составе менее ста кубитов. При этом мощность устройства растет экспоненциальным образом с числом кубитов. Максимальное число кубитов, в свою очередь, ограничено размерами криостатов – специальных «холодильников», в которых кубиты охлаждаются до операционных температур. Соответственно, перед исследователями и разработчиками встает задача передачи информации между криостатами в виде квантового сигнала для увеличения вычислительной мощности квантового процессора.
Для решения этой задачи ученые использовали волновод – направляющий канал, в котором может распространяться световая волна.
«Мы фактически реализовали одномерное пространство. Обычные атомы находятся в трехмерном пространстве, поэтому направление излучения нельзя предсказать, оно излучается во все стороны. Когда мы располагаем свехпроводящий кубит в волноводе, который является одномерным каналом распространения света, то свет может идти либо вправо, либо влево. За счет взаимодействия с кубитами фотоны, которые распространяются в этом канале, начинают друг с другом эффективно взаимодействовать, возникает опосредованное через кубиты взаимодействие фотонов. Они обмениваются квантовой информацией вполне определенным образом. Таким образом мы фактически можем изменять квантовые состояния фотонов, которые распространяются в таком одномерном пространстве», – подчеркивает Алексей Устинов.
В ходе эксперимента было продемонстрировано, что за счет взаимодействия с массивом кубитов в фотонном спектре возникает интервал частот, в котором волновод становится непрозрачным. То есть фотоны в этом интервале частот просто отражаются обратно за счет интерференции между разными кубитами, так как они не могут поглотиться. Это является свидетельством того, что описанное в исследовании эффективное взаимодействие между фотонами действительно существует.
По мнению авторов исследования, результаты работы могут лечь в основу более масштабных экспериментов с большим числом кубитов, которые приблизят создание коммерческих квантовых вычислительных устройств. Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/)
