Квантовый вентиль затвердел

Ученые бредят квантовыми компьютерами уже несколько десятков лет – с тех пор, как появились первые теоретические работы, описывающие эти машины. Как следует из названия, передача информации и её хранение в таких устройствах должны осуществляться при помощи элементарных частиц или их систем, поведение которых описывается законами квантовой механики.

Квантовые компьютеры в один прекрасный день смогут с легкостью решать такие сложные задачи, как расчет конформации молекул биополимеров, или расшифровка закодированной информации, дающиеся современным суперкомпьютерам с большим трудом. Благодаря новым алгоритмам, базирующимся на способности квантовых битов информации (кубитов), находится не только в логическом состоянии «0» или «1», но и в любой их комбинации одновременно, суперкомпьютеры смогут в мгновение ока решать задачи, требующие от кремниевых монстров многих лет беспрерывных вычислений.

Однако квантовые компьютеры до сих пор не появились ни на прилавках магазинов, ни в научных лабораториях, ни на вооружении военных структур.

Причин тому несколько. Первая и самая главная заключается в том, что алгоритмы квантовых вычислений не могут быть организованы с помощью единственного типа частиц, как это сделано с помощью электронов в традиционных вычислительных машинах. Например, кванты света – фотоны – прекрасно подходят для хранения информации, кроме того, они могут легко перемещаться, однако они не взаимодействуют друг с другом. С другой стороны, атомы прекрасно вступают друг с другом во взаимодействия, однако организовать с их помощью передачу информации весьма затруднительно. Свои надежды ученые возлагают на систему, использующую достоинства обоих типов частиц.

Исследователи полагают, что некая квантовая система связей, соединяющая большой массив атомов или их агломераций с помощью фотонных каналов, вполне может быть создана и использована в квантовых компьютерах.

Сложность организации передачи информации от атома к фотону в такой системе уже не носит фундаментальный характер, а является, скорее, инженерной задачей.

В связи с этим твердотельные системы каналов, проявляющих квантово-электродинамические эффекты, привлекают к себе все большее внимание со стороны исследователей: в перспективе именно они могут стать наиболее надежными масштабируемыми платформами для построения квантовых компьютеров. Наибольший прогресс пока наблюдается в системах наноразмерных каналов в фотонных кристаллах, изучаемых в совокупности с полупроводниковыми квантовыми точками.

Фотонные кристаллы – нелинейные оптические структуры, развитие технологии которых должно привести квантовые и фотонные схемы передачи информации на смену традиционным электронным устройствам. Квантовые точки – наноразмерные объекты металлов или полупроводников, размеры которых определяют появление у них квантовых свойств и иногда уподобляют их поведение поведению отдельных атомов. По сути, квантовые точки позволяют изучать обычные квантовые структуры, о которых можно прочесть в учебнике, в лабораторных условиях.

В последнее время удалось наблюдать различные по своему характеру взаимодействия между этими наноразмерными объектами в ходе процессов фотолюминесценции. Например, если взаимодействие квантовая точка – фотонный канал ослабляется, изменяется продолжительность самого процесса излучения, а если усиливается – изменения касаются уже спектра пропускания канала.

Ранее уже были предложены варианты организации квантовых вычислительных систем, базирующиеся на прямом взаимодействии с парой квантовая точка – канал через рассеяние света на системе, находящихся в одном из режимов взаимодействия – сильном либо слабом. Однако никому прежде не удавалось провести данный эксперимент на твердотельных системах, наиболее удобных для применения в квантовых устройствах будущего.

Научной группе из Стэнфордского и Калифорнийского (Санта-Барбара) университетов под руководством Елены Вукович удалось показать, что взаимодействие квантовая точка – канал может быть организовано и изучено в твердотельных системах.

Кроме того, команда исследователей показала, что в соответствии с теоретическими моделями, взаимодействие с квантовой точкой приводит к изменению спектра пропускания и отражения фотонного канала.

Таким образом, ученым удалось добиться создания квантового «фотонного вентиля», способного пропускать фотоны в канал, или «запирать» их в определенном участке кристалла. Работа ученых представлена в свежем выпуске журнала Nature.

Как отмечает сама Вукович, квантовые эффекты, за которыми команда исследователей научилась наблюдать и которые в состоянии контролировать, уже наблюдались другими научными группами. Однако их объектами исследования были газообразные системы атомов, использование которых в технических устройствах затруднительно. Вукович и её коллегам впервые удалось продемонстрировать квантовые взаимодействия канал –квантовая точка в миниатюрной твердотельной системе.

Если говорить по-простому, взаимодействие квантовая точка – канал в работе Вукович приводило к изменению прозрачности фотонного канала. Однако на самом деле механизм захвата, или удержания фотона в узле фотонного канала с квантовым переключателем не имеет ничего общего с задержанием квантов света непрозрачными материалами. Если в последних фотон поглощается и превращается в тепловую энергию, то в случае фотонного вентиля поглощения его не происходит.

Таким образом, ученые добились создания оптического переключателя, работа которого требует лишь одного фотона и одной квантовой точки.

Пара квантовая точка/ложбинка уже была использована в исследованиях ряда научных групп, однако эта работа является первой, в которой квантовые свойства системы были изучены и задействованы с помощью кванта света, а не с помощью косвенных методов.

Чипы, используемые в работе Вукович для создания системы зеркал и пары точка/канал, имеют много общего с теми чипами, что применяются в традиционной технологии полупроводников, что еще более приближает открытие к серийному производству – если не квантовых компьютеров, то, по меньшей мере, квантовых систем распределения и управления информационными потоками.

Следующий важный шаг, который намерены предпринять ученые, – это попытка направленного изменения свойств квантовой точки, как демонстрация возможности передачи информации по фотонному каналу и хранения её в виде определенного энергетического состояния точки или изменения её спина. Эта задача так же во многом является скорее инженерной или технологической, нежели фундаментально-научной, так что анклав фотонных кристаллов и квантовых точек может уже в недалеком будущем привести к созданию квантовых вычислительных систем.

Однако любителям компьютерных игр вряд ли стоит рассчитывать на покупку квантовых видеокарт и фотонных материнских плат в ближайшем торговом центре.

Системы с квантовыми алгоритмами вычислений, скорее всего, будут использоваться только для научных или военных целей из-за специфики задач, решаемых учеными. Численные методы моделирования при надлежащей постановке вычислений уже сейчас могут заменить ряд экспериментальных подходов, корректная постановка которых зачастую требует очень больших ресурсов. Военным же квантовые мозги пригодятся для создания и совершенствования глобальных систем наведения крылатых ракет, управления спутниками и так далее.