Ученые со всего мира работают над понятиями для будущих квантовых компьютеров и их экспериментальной реализации. Обычно типичный квантовый компьютер считается на основе сети квантовых частиц, которые служат для хранения, кодирования и обработки информации о кванте. На аналогии со случаем классического компьютера квантовый логический вентиль, который поручает выходным сигналам вводить сигналы детерминированным способом, был бы существенным стандартным блоком.
Команда вокруг доктора Штефана Дурра от Квантового Подразделения Динамики профессора Герхарда Ремпе в Институте Макса Планка Квантовой Оптики теперь продемонстрировала в эксперименте, как важная операция по воротам – обмен бита оценивает 0, и 1 – может быть понят с единственными фотонами. Первый световой импульс, содержащий один фотон только, сохранен как возбуждение в ультрахолодном облаке приблизительно 100 000 атомов рубидия. Это вызывает о том, что второй световой импульс, который проходит через облако, показывает изменение фазы 180 градусов (Научные Достижения, 29. Апрель 2016).
«Фотоны – идеальные перевозчики информации о кванте, потому что они едва взаимодействуют с их средой и могут легко быть переданы по большим расстояниям», объясняет доктор Штефан Дурр, лидер проекта. «Поэтому мы очень интересуемся развитием ворот кванта фотона фотона, где единственный световой импульс может изменить поступающий фотонный кубит детерминированным способом».Современная обработка данных основана на принципе, что информация может быть закодирована в двоичной системе счисления. В этом контексте логические вентили выполняют задачу осуществления таблиц истинности, которые исключительно назначают определенный образец продукции на данный входной сигнал. Например, входная ценность 0 может быть преобразована в ценность продукции 1 или наоборот.
В воротах кванта фотона фотона это соответствует процессу единственного фотона, управляющего государством второго единственного фотона детерминированным способом. Это взаимодействие должно быть установлено вопросом.
До сих пор никакая физическая система, как не могли находить, обеспечила достаточно сильное взаимодействие.В этом эксперименте облако приблизительно 100 000 атомов рубидия охлаждено к температуре 0.5 microkelvin и поймано в дипольной ловушке, состоявшей из нескольких светлых областей. Затем, быстрая последовательность трех световых импульсов посягает на облако: первый так называемый пульс контроля определяет, изменен ли второй целевой пульс значительно, когда это проходит через облако, т.е. включена ли операция по воротам или прочь. Третий пульс используется, чтобы восстановить возбуждение, которое было потенциально сохранено.
Световые импульсы состоят из двух компонентов: с одной стороны, они содержат красный световой индикатор, столь слабый, что световой импульс несет только один фотон в среднем. С длиной волны 780 нм это почти резонирует с определенным атомным переходом. Без дальнейшего лечения световой импульс прошел бы через атомное облако и приобрел бы определенное изменение фазы.
Однако, добавляя синий свет сцепления высокой интенсивности с длиной волны 480 нм фотон в пульсе сигнала может быть сохранен которым управляют и обратимым способом. Во время этого процесса один атом в облаке передан в очень взволнованный штат Ридберг, где один электрон расположен на большом расстоянии от ядра.В следующем шаге атомы освещены с целевым пульсом, который также состоит и из сигнала и из света сцепления. Поскольку атом Rydberg показывает взаимодействие Ван-дер-Ваальса дальнего действия с другими атомами в облаке, уровни атомной энергии в определенном регионе вокруг атома Rydberg перемещены.
Это приводит к большему расстройке целевого пульса от атомных уровней по сравнению со случаем без ранее сохраненного пульса контроля.Из-за этого расстройки целевого пульса берет изменение фазы, которое отличается 180 градусами изменения фазы, полученного, когда никакое возбуждение контроля не сохранено. «Именно это дополнительное изменение фазы, вызванное взаимодействием Ван-дер-Ваальса, действительно, имеет значение», говорит доктор Дерр. «Это позволяет произвести квантовые состояния, которые являются ортогональными друг другу, который соответствует небольшому количеству щелчка от 0 до 1». В последнем шаге световой импульс сцепления восстанавливает фотон сигнала, который сохранен в облаке.В ряде измерений используя пластины волны и разделитель луча поляризации ученые определили поляризацию обоих красных фотонов сигнала после прохождения через атомное облако.
Таким образом, они смогли показать, что световой импульс взял дополнительное изменение фазы 180 градусов каждый раз, когда лазер сигнала был включен во время пульса контроля. Целый цикл – хранение пульса контроля, распространение целевого пульса и поиск возбуждения контроля – занимают только несколько микросекунд.«Эксперимент демонстрирует, что мы можем вращать самолет поляризации фотонного кубита в целевом пульсе со всего одним фотоном контроля», возобновляется доктор Дерр. «Это – важная предпосылка для реализации квантовых ворот. Однако квантовые ворота также должны обеспечить возможность произвести запутанное конечное состояние от двух отдельных начальных состояний.
Чтобы достигнуть этой цели, мы планируем сделать дальнейшие эксперименты».