Исследователи Института науки о свете Общества Макса Планка и Ганноверского университета имени Лейбница сообщили о достижении, которое может существенно изменить подход к построению квантовых вычислительных систем. Впервые в истории экспериментальной физики учёным удалось установить сильное взаимодействие между светом и акустическими колебаниями непосредственно в стандартном оптическом волокне — без использования микрорезонаторов, которые до сих пор были единственным инструментом для реализации такого взаимодействия. По данным авторов работы, результат открывает путь к упрощению архитектуры квантовых процессоров и, что особенно важно, к решению одной из наиболее острых проблем квантовых платформ — созданию эффективной квантовой памяти.
Физика процесса: вынужденное рассеяние Мандельштама—Бриллюэна в волокне
В основе эксперимента лежит процесс неупругого рассеяния света на акустических фононах, известный в физике как вынужденное рассеяние Мандельштама—Бриллюэна. При этом акустические волны изменяют показатель преломления среды, по которой одновременно распространяются они сами и свет, тем самым воздействуя на фотоны. В свою очередь, фотоны обмениваются энергией с фононами — а энергия, как известно, является носителем информации. Ключевая трудность, с которой столкнулись исследователи, состояла в том, что свет проходит через обычное оптоволокно с огромной скоростью и взаимодействует с акустической волной лишь на ограниченном участке, фактически однократно. В микрорезонаторах, напротив, свет многократно — миллионы и десятки миллионов раз — проходит через одну и ту же область, что и обеспечивает режим сильного взаимодействия. Учёным удалось преодолеть это ограничение, доказав, что даже однократное прохождение света через участок волокна, где он «сталкивается» со звуковой волной, достаточно для фиксации сильного взаимодействия.
Эксперимент при 4 К: как фиксировали сильную связь
Эксперимент был проведён при охлаждении оптического волокна до температуры 4 К, что соответствует примерно −269 °C. Исследователи пропустили свет через охлаждённое волокно и зарегистрировали характерный разрыв в спектральном отклике системы. Именно наличие такого разрыва является диагностическим признаком режима сильного взаимодействия между светом и акустическими колебаниями — в микрорезонаторах аналогичный режим проявляется тем же образом. Таким образом, полученный спектральный отклик подтвердил, что в обычном волокне удалось воспроизвести условия, которые ранее были достижимы только в специально сконструированных резонаторных структурах.
Почему это упрощает архитектуру квантовых вычислений
Отказ от микрорезонаторов в пользу стандартного оптоволокна принципиально меняет инженерную картину. Оптоволокно — это уже существующая инфраструктура телекоммуникаций, работающая в масштабе макрообъектов и величин. Если участок волокна, соединяющий, например, два квантовых компьютера в соседних лабораторных помещениях, способен выполнять функции квантового процессора или буфера памяти, то необходимость в сложных резонаторных конструкциях отпадает. Сильное взаимодействие света и звука в таком отрезке волокна происходит раньше потери когерентности, что позволяет использовать его как для обработки квантового сигнала, так и для его временной буферизации. Акустические волны распространяются значительно медленнее оптических или микроволновых сигналов, используемых в квантовых процессорах, а квантовая память остаётся одним из наиболее «больных» мест современных квантовых платформ.
Перспективы: от преобразования сигналов до квантовой физики в макроскопическом мире
Полученный результат создаёт основу для дальнейших исследований квантовой обработки сигналов предложенным методом. В перспективе взаимодействие света с акустическими колебаниями позволит преобразовывать сигналы между оптическими частотами и микроволновым диапазоном, в котором работают многие квантовые вычислительные устройства. Иными словами, микроволновый сигнал на выходе квантового процессора можно будет непосредственно в волокне преобразовать в оптический и далее распространять стандартными телекоммуникационными методами. Кроме того, новая экспериментальная платформа открывает возможность изучать квантовые свойства механических колебаний в относительно массивных объектах, которыми являются оптические волокна. Это, по сути, переносит квантовые явления в мир классических приборов и делает квантовую науку доступной более широкому кругу исследователей, не требующих специализированной резонаторной инфраструктуры.
