Новая техника, описанная в работе, опубликованной сегодня в журнале Nature, позволяет исследователям соединять одинокий атом рубидия, металла, с единственным фотоном или световой частицей. Это позволяет и атому и фотону переключать квантовое состояние другой частицы, обеспечивая механизм, через который квантовый уровень могли произойти вычислительные операции.Кроме того, ученые полагают, что их техника позволит им увеличивать число полезных взаимодействий, происходящих в небольшом пространстве, таким образом расширяя объем квантового вычисления, обрабатывающего доступный.
«Это – важный шаг вперед этой системы», говорит Влэдэн Вулетик, преподаватель в Отделе MIT Физики и Научно-исследовательской лаборатории для Электроники (RLE) и соавторе бумаги. «Мы продемонстрировали в основном, что атом может переключить фазу фотона. И фотон может переключить фазу атома».Таким образом, у фотонов может быть два вида поляризации, и взаимодействие с атомом может изменить фотон от одного государства до другого; с другой стороны взаимодействие с фотоном может изменить энергетический уровень атома от своего «наземного» государства до его «взволнованного» государства.
Таким образом сцепление фотона атома может служить квантовым выключателем, чтобы передать информацию – эквивалент транзистора в классической вычислительной системе. И помещая много атомов в той же самой области света, исследователи могут быть в состоянии построить сети, которые могут обработать информацию о кванте эффективнее.«Вы можете теперь предположить помещать несколько атомов туда, делать несколько из этих устройств – которые являются только несколько сотен миллимикронов толщиной, на в 1,000 раз более тонкими, чем человеческие волосы – и соединяют их вместе, чтобы заставить их обменять информацию», добавляет Вулетик.Используя фотонную впадину
Квантовое вычисление могло позволить быстрое выполнение вычислений, использовав в своих интересах отличительные свойства квантового уровня частиц. Некоторые частицы могут быть в условии суперположения, представляясь существовать в двух местах в то же время. Частицы в суперположении, известном как кубиты, могли таким образом содержать больше информации, чем частицы в классических весах и допускать более быстрое вычисление.
Однако исследователи находятся на ранних стадиях определения, которое материалы лучше всего позволяют, чтобы квантовый масштаб вычислил. Исследователи MIT и Гарварда исследовали фотоны как материал кандидата, так как фотоны редко взаимодействуют с другими частицами. Поэтому оптический квант вычислительная система, используя фотоны, могло быть более трудно пробить из ее тонкого выравнивания.
Но так как фотоны редко взаимодействуют с другими частями вопроса, ими трудно управлять во-первых.В этом случае исследователи использовали лазер, чтобы поместить атом рубидия очень близко к поверхности фотонной кристаллической впадины, структуре света. Атомы были помещены не больше, чем 100 или 200 миллимикронов – меньше, чем длина волны света – от края впадины. На таких маленьких расстояниях есть сильная привлекательная сила между атомом и поверхностью светлой области, которая исследователи раньше заманивали атом в ловушку в месте.
Другие методы производства подобного результата рассмотрели прежде – такой как, в действительности, бросив атомы в свет и затем найдя и заманив их в ловушку. Но исследователи нашли, что они имели больший контроль над частицами этот путь.«В некотором смысле это было большое удивление, как простой это решение сравнилось с различными методами, которые Вы могли бы предположить получения атомов там», говорит Вулетик.
Результат – то, что он называет «гибридной квантовой системой», где отдельные атомы соединены с микроскопическими изготовленными устройствами, и в котором атомами и фотонами можно управлять продуктивными способами. Исследователи также нашли, что новое устройство служит своего рода фотонами отделения маршрутизатора друг от друга.«Идея состоит в том, чтобы объединить разные вещи, у которых есть различные достоинства и недостатки таким способом произвести что-то новое», говорит Вулетик, добавляя: «Это – прогресс в технологии.
Конечно, ли это будет технологией, еще неизвестно».’Все еще удивительный’, чтобы держаться на один атом
Бумага, «Нанофотонный квантовый выключатель фазы с единственным атомом», создана в соавторстве Vuletic; Тобиас Тике, postdoc присоединился и к RLE и к Гарварду; преподаватель Гарварда физики Михаил Лукин; Гарвард postdoc Натали де Леон; и аспиранты Гарварда Джефф Томпсон и Бо Лю.Сотрудничество между исследователями MIT и Гарварда – одно из двух достижений в области, описанной в текущей проблеме Природы.
Исследователи в Институте Макса Планка Квантовой Оптики в Германии одновременно разработали новый метод производства взаимодействий фотона атома, используя зеркала, формируя квантовые ворота, которые изменяют направление движения или поляризацию фотонов.Если методы исследования кажутся немного футуристическими, Вулетик говорит это, как раз когда опытный исследователь в области, он остается немного внушенным страхом инструментами в его распоряжении.
«Для меня то, что все еще удивительно после работы в этом в течение 20 лет», Vuletic размышляет, «то, что мы можем держаться на единственный атом, мы видим его, мы можем переместить его, мы можем подготовить квантовые суперположения атомов, мы можем обнаружить их один за другим».