Вперше в оптоволокні світ зіткнувся зі звуком — квантові комп'ютери дочекалися прориву

Сильні взаємодії світла та акустичних коливань здатні принести багато нового в розвиток квантових комп'ютерів як у сфері процесорів, так і пам'яті. Досі для цього використовувалися мікрорезонатори, що ускладнювало справу. Тепер вчені вперше змогли зв'язати світло та коливання в звичайному оптоволокні, і це значно спростить архітектуру обчислень.

Джерело зображення: Laura Blázquez Martínez

Про прорив повідомили дослідники з Інституту науки про світло Товариства Макса Планка (Max Planck Institute for the Science of Light) та Ганноверського університету імені Лейбніца (Leibniz University). В основі експерименту лежить процес нееластичного розсіювання світла на акустичних фононах — так зване вимушене розсіювання Мандельштама—Бріллюена. Акустичні хвилі змінюють заломлення середовища, по якому рухаються вони та світло, і, тим самим, впливають на фотони. Одночасно фотони впливають на фонони (коливання) і обмінюються з ними енергією, а енергія — це інформація.

Проблема полягала в тому, що світло проходить через звичайне оптоволокно дуже швидко і взаємодіє з акустичною хвилею лише на обмеженій ділянці і фактично однократно, тоді як у резонаторі світло мільйони і десятки мільйонів разів проходить через одну й ту ж область, що гарантує ефект сильної взаємодії.

Було б привабливо змусити світло взаємодіяти з акустичними коливаннями на коротких відрізках звичайного волокна, наприклад, що з'єднує два квантових комп'ютери в сусідніх кімнатах. Тоді такий відрізок волокна може слугувати частиною квантового процесора або пам'яті, оскільки сильні взаємодії світла та звуку відбуваються раніше втрати когерентності і можуть слугувати як для обробки квантового сигналу, так і для буферизації даних, адже звукові хвилі помітно повільніше оптичної або мікрохвильової частоти квантового процесора, а пам'ять для квантових платформ — це дуже болюче місце.

Відмова від мікрорезонаторів значно спростила б архітектуру квантових обчислювачів. Крім того, оптоволокно — це перенесення квантових явищ у наш світ макрооб'єктів і величин. Вчені десятиліттями б'ються над питанням об'єднання класичної та квантової фізики, а оптоволокно, ось воно — вже в основі нашого світу телекомунікацій. Це класична фізика, якій стають доступні спостереження за квантовими явищами.

Свій експеримент вчені провели при охолодженні оптоволокна до температури 4 К, тобто приблизно −269 °C. Дослідники пропустили світло через охолоджене оптичне волокно і зареєстрували характерний розрив у спектральному відгуку системи. Саме такий розрив вказує на сильний зв'язок між світлом та акустичними коливаннями. У резонаторах подібний режим проявляє себе аналогічним чином. В експерименті для чіткої фіксації сильної взаємодії світла та звуку виявилося достатньо однократного проходження світла, яке буквально стикалося там зі звуковою хвилею.

Результат створює основу для подальших досліджень квантової обробки сигналів запропонованим способом. Підсумовуючи сказане вище, підкреслимо, що взаємодія світла з акустичними коливаннями (в загальному випадку — з механічними) потенційно дозволить перетворювати сигнали між оптичними частотами та мікрохвильовим діапазоном, в якому працюють багато квантових обчислювальних пристроїв. Іншими словами, мікрохвильовий сигнал на виході комп'ютера можна прямо в волокні перетворити в оптичний і далі поширювати звичайним чином.

Також, оскільки акустичні хвилі поширюються значно повільніше світла, вони представляють інтерес для тимчасової буферизації інформації. Крім того, нова експериментальна платформа може допомогти вивчати квантові властивості механічних коливань у відносно масивних об'єктах, якими є оптичні волокна, вносячи квантові явища в світ класичних приладів і роблячи квантову науку доступною більш широкому колу вчених.

Хочеш дізнатися більше — читай відгуки