Фото: Oliver Diekmann / TU Wien
Ученые из Венского технического университета (TU Wien) предложили простой способ повысить эффективность поглощения фотонов с помощью специально спроектированных волноводов. По их оценкам, это может сделать будущие квантовые технологии значительно более производительными. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Квантовые технологии опираются на процесс, который пока остается ненадежным: передачу одиночного фотона между двумя квантовыми битами (кубитами). При обычных методах принимающий кубит успешно поглощает фотон лишь примерно в 54 процентах случаев. Такая неэффективность серьезно мешает развитию квантовых компьютеров, защищенной квантовой связи и будущих квантовых сетей.
Исследователи предлагают решить проблему, меняя форму волны фотона во время его движения между кубитами. Расчеты и компьютерные симуляции показывают, что при идеальных условиях этот подход позволит добиться стопроцентного поглощения. Как пояснил доктор Цзыюй Куан из Института теоретической физики TU Wien, фотон нельзя представлять как крошечную частицу, которую просто выпускают: это волна, у которой есть определенная форма и протяженность.
Авторы сравнивают излучение фотона с ударом в колокол: звук сначала сильный, а затем постепенно затухает, и волна кубита ведет себя похоже. Однако такая форма плохо подходит для поглощения другим кубитом. Гораздо лучше сработал бы импульс, который постепенно нарастает и лишь затем достигает пика.
Решение основано на симметрии обращения времени — фундаментальном принципе квантовой механики. В идеальных условиях квантовый процесс можно запустить в обратном направлении, поэтому фотон с определенной формой волны будет идеально поглощаться, если эту форму обратить во времени. Оливер Дикманн объясняет, что квантовая динамика обратима: если кубит идеально излучает фотон с конкретной формой волны, обратный процесс подсказывает, какую форму этот кубит сможет идеально поглотить. Чтобы добиться такого обращения, ученые предлагают использовать специально спроектированный оптический волновод, где разные частотные составляющие света движутся с разной скоростью. Это явление, называемое дисперсией, можно контролировать и тем самым менять форму импульса фотона при передаче.
Подбирая дисперсию волновода, команда рассчитала, что излученный фотон придет к принимающему кубиту именно с той формой волны, которая нужна для оптимального поглощения, а теоретический успех при идеальных условиях может достигать 100 процентов. Профессор Карлос Гонсалес-Бальестеро отметил, что ученые рассчитали, как достичь этой цели, и смоделировали процесс на компьютере; результаты говорят о технической осуществимости нужной установки. По его словам, пассивный подход способен заметно улучшить поглощение фотонов кубитами и повысить эффективность многих квантовых технологий. Экспериментально метод пока не проверен, но симуляции показывают, что тщательно спроектированные волноводы сделают передачу фотонов гораздо надежнее и помогут улучшить работу будущих квантовых компьютеров и сетей связи.