Недавно российские физики заявили о создании установки, представляющей собой квантовый фильтр на основе атомов рубидия. Этот прибор позволит преобразовывать лазерный импульс в одиночный фотон. Подобное устройство является еще одним шагом на пути разработки квантовых компьютеров. По сообщению ученых, квантовый фильтр уже готов к работе.
Идея данного проекта заключается в том, чтобы использовать свойства определенным образом организованной атомной среды для "фильтрации" с высокой вероятностью, вплоть до 100 процентов, одиночного фотона из лазерного импульса. Этот проект предложили отечественные физики-теоретики из Новосибирска Валерий Юдин и Алексей Тайченачев. Суть данной идеи заключалась в следующем — если к четырехуровневой системе (атому с четырьмя энергетическими уровнями) приложить специально подобранное мощное световое поле и пробный импульс, этот импульс в среде будет рассеиваться до тех пор, пока в нем не останется ровно один фотон.
Но когда в импульсе останется последний фотон, среда для него становится абсолютно прозрачной. Возникает эта прозрачность в среде, когда разница частот световых полей совпадает с разницей частот двух атомных уровней.
И вот недавно в лаборатории оптики активных сред Физического института им. П. Н. Лебедева РАН были завершены работы по созданию прибора, позволяющего осуществить это. Сейчас в этой лаборатории проводится серия экспериментов, цель которых — убрать побочные эффекты, влияющие на пропускание системы, и подобрать оптимальный режим импульсов. Успешное завершение всего проекта даст надежный источник одиночных фотонов, основанный не на спонтанном излучении, а возникающем как бы "по команде", данном учеными (то есть в результате простого нажатия на пусковую кнопку прибора).
О том, как работает данная установка, рассказал на страничке института старший научный сотрудник лаборатории оптики активных сред, кандидат физико-математических наук Алексей Акимов:
"Один лазер создает мощное поле, облучающее среду. Второй — производит импульс излучения, на него накладывается множество всяких ограничений. Мощное поле просветляет среду и не рассеивается, его надо отделить от импульса — с помощью поляризации интерференционными фильтрами.
Ряд устройств позволяет формировать импульсы и настраивать их частоту так, чтобы они совпадали с нужными переходами в атомах среды. Необходимое четырехуровневое состояние атомов рубидия поддерживается внешним магнитным полем. Газообразный рубидий находится в четырехсантиметровой вакуумной кювете с небольшим добавлением буферного газа".
Ученые заявляют, что области применения нового устройства — это, прежде всего, фундаментальные исследования в квантовой фотонике, а также работы по созданию квантовой памяти. Подобное, наконец-то, становится реальным, ведь один фотон — это минимальный квант информации, который вообще может передаваться. Так что можно сказать, что данные исследования еще на один шаг приближают человечество к созданию квантовых компьютеров.
Напомню, что квантовый компьютер — это гипотетическое вычислительное устройство, работающее на основе квантовой механики. Основной принцип отличия квантового процессора от классического — возможность не поочередно находиться в состоянии либо 0, либо 1, а одновременно. Это позволяет использовать его при расчетах поведения сложных многочастных систем, например, таких, как биологические или наша Вселенная.
Иными словами, процессор такого компьютера находится в состоянии квантовой суперпозиции. Что это такое, очень хорошо иллюстрирует высказывание одного известного физика: "Вообразите атом, который мог бы подвергнуться радиоактивному распаду в определенный промежуток времени. Или не мог бы. Мы можем ожидать, что у этого атома есть только два возможных состояния — "распад" и "не распад", но в квантовой механике у атома может быть некое объединенное состояние — "распада — не распада", то есть ни то, ни другое, а как бы между этими двумя. Вот это состояние и называется суперпозицией".
Однако воплотить идею квантового компьютера в реальность, то есть создать физический прибор, который обладал бы всеми его свойствами, пока очень сложно. Одна из идей по реализации этого проекта состояла в том, что для работы его процессора следует использовать фотоны. Однако основной сложностью здесь был процесс получения отдельных фотонов — до этого не удавалось целенаправленно получать эту элементарную частицу, все получения происходили случайно. Теперь же с помощью установки, созданной российскими физиками, такое стало вполне вероятно.
И, наконец, еще одно возможное практическое применение данного изобретения — создание новых надежных методов шифрования информации при ее передаче. Если создан один фотон в некотором специально заданном состоянии, его нельзя "измерить", не испортив, то есть, не разрушив его состояние. Такая "естественная степень защиты", присущая одному фотону, может послужить базисом для разработки "абсолютного" кодирования в будущих устройствах для шифрования, при котором никакая попытка "взлома" не сможет остаться незамеченной. Все это может быть использовано при создании нового поколения надежных систем связи.
Однако все это в будущем, а пока установка готовится к тому, чтобы начать полноценную работу. Пожелаем же ей удачной и стабильной работы!
