Дослідники Інституту науки про світ Товариства Макса Планка та Ганноверського університету імені Лейбніца повідомили про досягнення, яке може суттєво змінити підхід до побудови квантових обчислювальних систем. Вперше в історії експериментальної фізики вченим вдалося встановити сильну взаємодію між світлом і акустичними коливаннями безпосередньо в стандартному оптичному волокні — без використання мікрорезонаторів, які досі були єдиним інструментом для реалізації такої взаємодії. За даними авторів роботи, результат відкриває шлях до спрощення архітектури квантових процесорів і, що особливо важливо, до вирішення однієї з найгостріших проблем квантових платформ — створення ефективної квантової пам'яті.
Фізика процесу: вимушене розсіювання Мандельштама—Бріллюена у волокні
В основі експерименту лежить процес непружного розсіювання світла на акустичних фононах, відомий у фізиці як вимушене розсіювання Мандельштама—Бріллюена. При цьому акустичні хвилі змінюють показник заломлення середовища, яким одночасно поширюються вони самі і світло, тим самим впливаючи на фотони. У свою чергу, фотони обмінюються енергією з фононами — а енергія, як відомо, є носієм інформації. Ключова трудність, з якою зіткнулися дослідники, полягала в тому, що світло проходить через звичайне оптоволокно з величезною швидкістю і взаємодіє з акустичною хвилею лише на обмеженій ділянці, фактично одноразово. У мікрорезонаторах, навпаки, світло багатократно — мільйони і десятки мільйонів разів — проходить через ту саму область, що й забезпечує режим сильної взаємодії. Вченим вдалося подолати це обмеження, довівши, що навіть одноразове проходження світла через ділянку волокна, де воно «стикається» зі звуковою хвилею, достатнє для фіксації сильної взаємодії.
Експеримент за 4 К: як фіксували сильний зв'язок
Експеримент було проведено за охолодження оптичного волокна до температури 4 К, що відповідає приблизно −269 °C. Дослідники пропустили світло через охолоджене волокно і зареєстрували характерний розрив у спектральному відклику системи. Саме наявність такого розриву є діагностичною ознакою режиму сильної взаємодії між світлом і акустичними коливаннями — у мікрорезонаторах аналогічний режим проявляється тим самим способом. Таким чином, отриманий спектральний відклик підтвердив, що у звичайному волокні вдалося відтворити умови, які раніше були досяжні лише у спеціально сконструйованих резонаторних структурах.
Чому це спрощує архітектуру квантових обчислень
Відмова від мікрорезонаторів на користь стандартного оптоволокна принципово змінює інженерну картину. Оптоволокно — це вже наявна інфраструктура телекомунікацій, що працює в масштабі макрооб'єктів і величин. Якщо ділянка волокна, що з'єднує, наприклад, два квантові комп'ютери в сусідніх лабораторних приміщеннях, здатна виконувати функції квантового процесора або буфера пам'яті, то необхідність у складних резонаторних конструкціях відпадає. Сильна взаємодія світла і звуку в такому відрізку волокна відбувається раніше втрати когерентності, що дозволяє використовувати його як для обробки квантового сигналу, так і для його тимчасової буферизації. Акустичні хвилі поширюються значно повільніше за оптичні чи мікрохвильові сигнали, що використовуються в квантових процесорах, а квантова пам'ять залишається одним із найболючіших місць сучасних квантових платформ.
Перспективи: від перетворення сигналів до квантової фізики у макроскопічному світі
Отриманий результат створює основу для подальших досліджень квантової обробки сигналів запропонованим методом. У перспективі взаємодія світла з акустичними коливаннями дозволить перетворювати сигнали між оптичними частотами та мікрохвильовим діапазоном, у якому працюють багато квантових обчислювальних пристроїв. Іншими словами, мікрохвильовий сигнал на виході квантового процесора можна буде безпосередньо у волокні перетворити на оптичний і далі поширювати стандартними телекомунікаційними методами. Крім того, нова експериментальна платформа відкриває можливість вивчати квантові властивості механічних коливань у відносно масивних об'єктах, якими є оптичні волокна. Це, по суті, переносить квантові явища у світ класичних приладів і робить квантову науку доступною ширшому колу дослідників, які не потребують спеціалізованої резонаторної інфраструктури.
