Создан полностью оптический транзистор, пригодный для квантовых компьютеров

Оптические микросхемы и компьютеры требуют, чтобы фотоны, составляющие свет, каким-то образом могли влиять на поведение друг друга. В природе эти частицы избегают подобного: столкните два фотона в космосе — и они просто пройдут один через другой.

Удастся ли задействовать оптические транзисторы в квантовых компьютерах? (Иллюстрация Christine Daniloff.)

Теперь исследователи под руководством Владана Вулетича (Vladan Vuletić) из Массачусетского технологического института (США) попробовали создать оптический ключ, контролируемый единичным фотоном, что наконец-то позволило бы регулировать передачу света при помощи света. Иными словами, речь идёт о разработке полностью оптического аналога транзистора.

Когда ключ находится в положении «включено», луч света может пройти через оба его зеркала, а если он выключен, то вероятность такого прохождения — из-за использования обоих зеркал — снижается до 20%. Зеркала образуют то, что можно назвать оптическим резонатором, — и если бы зеркало было одно, то свет просто возвращался бы обратно.

С двумя зеркалами всё меняется. Хотя как частица фотон, казалось бы, должен останавливаться первым же зеркалом, как «волночастица», в своей, так сказать, волновой ипостаси, электромагнитное поле проникает в пространство между первым и вторым зеркалами. Если расстояние между ними тщательно откалибровано под определённую длину волны входящего фотона, то в этой резонаторной полости создаётся значительное электромагнитное поле, отменяющее поле, идущее назад от первого зеркала, и свет распространяется вперёд — несмотря на пару зеркал на своём пути.

В нынешнем эксперименте полость оптического резонатора была заполнена ультрахолодными атомами цезия, в норме не взаимодействующего с фотонами. Если же одиночный «затворный» фотон выстреливается в середину этой группы атомов под особым углом и затрагивает лишь один электрон всего одного атома, переводя его в более высокоэнергетическое состояние, то физические условия внутри оптического резонатора слегка меняются, позволяя блокировать дальнейшее распространение света по вышеописанному механизму через сам ключ.

Как видим, изготовленный в MIT оптический транзистор всё-таки заработал (хотя 20%...). Правда, не без издержек в виде необходимости охлаждения атомов цезия до температур, близких к абсолютному нулю. Это из минусов.

Но есть и плюсы. Если для обычных компьютеров оптические транзисторы просто снизят перегрев и одновременно энергопотребление, то описанная выше схема благодаря однофотонному вводу имеет некоторый потенциал и для квантовых компьютеров. Более того, г-н Вулетич полагает, что, используя преднамеренно созданные включения в оптоволокне, эффектов сходного рода можно добиться при более практичных температурах.

Отчёт об исследовании опубликовано в журнале Science.

Подготовлено по материалам MIT News.

Источник: Компьюлента