Два фотона впервые отправились на квантовую прогулку

Несколько дней назад команда учёных из Великобритании, Японии, Израиля и Нидерландов провела опыт со специфическим поведением пары фотонов, которое ранее лишь предсказывалось теорией. Прорыв в фотонике обещает открыть новое направление в квантовых компьютерах, которые могли бы выполнять моделирование очень сложных биологических, химических и физических систем.

Квантовая прогулка, или квантовое блуждание (quantum walk) — это интересный эффект, порождаемый особенностями квантовых частиц. В математике существует аналог – процесс случайного блуждания, и он поможет нам понять суть прогулки.

Самый простой её пример – одномерный. Если взять за точку начала движения частицы "0", а шаг принять за 1, то в процессе такого блуждания объект будет смещаться на единицу влево или вправо, причём выбор того или иного направления – случаен.

Как нетрудно увидеть, после двух шагов (словно мы подкинули монетку два раза), частица окажется либо в точке "2", либо в "-2", либо вернётся к 0. На пятом шаге мы можем получить результат "5", "-5", "3", "-3", "1" и "-1".

В квантовом блуждании необходимо учесть, что частица, перемещающаяся, к примеру, по ветвящимся волноводам, до измерения находится в суперпозиции возможных своих состояний. Говоря упрощённо, направленный на светоделитель фотон будет двигаться "сразу по двум направлениям". А если дорожки сближены, должна происходить интерференция таких состояний.

И совсем уже сложная картина получается, если на входе такого лабиринта по двум соседним волноводам было подано два фотона. Их взаимодействие будет влиять на вероятность попадания каждой из частиц в тот или иной выход сети.

На этом графическом представлении одновременного квантового блуждания двух фотонов интенсивность свечения точек соответствует вероятности появления частиц в той или иной позиции. Две области повышенной вероятности – отличительная черта реализованного физиками процесса (иллюстрация University of Bristol).

Именно такой процесс организовали экспериментаторы, построив крошечный чип с волноводами (он и показан на фото под заголовком). Основной проблемой, как сообщает участник работы Джереми О?Брайен (Jeremy O Brien) из Бристольского университета, стал вывод частиц через пачку оптоволоконных нитей к отдельным детекторам.

Дело в том, что организовать соединение чипа с оптоволокном можно только в случае, если расстояние между соседними волноводами на выходе превышает 125 микрометров. Но на участке длиной около 700 микрометров волноводы сходились на дистанцию до 2,8 мкм. А развести их слишком резко было нельзя. Ведь радиус закругления волновода должен быть достаточно велик, чтобы частица отражалась от его стенок, не покидая свою тропку.

По расчётам учёных, при использовании обычного для сердцевины волновода материала, диоксида кремния, минимальная длина участка с поворотами должна составлять несколько метров, а это уже был бы далеко не крошечный чип.

Решить проблему удалось, создав волноводы из оксинитрида кремния. Большая разница в показателе преломления между такой сердцевиной и кремниевой оболочкой позволила сделать более крутые изгибы и уменьшить длину выходного участка лабиринта до нескольких миллиметров.

Микрофотография "веера" волноводов с 21 выводом и тремя входами. Справа вверху: распределение света по выходам при запуске в чип лазерного излучения с длиной волны 810 нанометров. Справа внизу: моделирование распространения через массив одиночного фотона (иллюстрация Peruzzo et al.).

В решающем эксперименте принимали участие пары идентичных фотонов, для создания которых по стандартной методике спонтанного параметрического рассеяния учёные использовали лазер c длиной волны 402 нанометра и нелинейный кристалл бората висмута BiB₃O₆.

Когда идентичные фотоны попали в систему волноводов, авторы опыта наблюдали ожидаемый эффект квантовой интерференции. Далее для сравнения физики попробовали чуть задержать поступление второй частицы. Картина на выходе стала соответствовать классической интерференции. (Детали – в статье в Science.)

"Теперь, когда мы можем реализовать двухфотонную "квантовую прогулку", мы сможем перейти к наблюдению за тремя и больше фотонами, – оптимистично заявляет О?Брайен в пресс-релизе Бристольского университета. – Каждый раз, когда мы добавляем фотон, сложность проблемы, которую мы можем решить, возрастает экспоненциально, то есть, условно говоря, однофотонная система такого рода может дать 10 результатов, двухфотонная – 100, трёхфотонная – тысячу, и так далее".

От Бристоля в исследовании также приняли участие Джонатан Мэтьюс (Jonathan Matthews), слева, и Костас Поулиос (Kostas Poulios). На врезке – Джереми.
В постановке эксперимента британским новаторам помогали коллеги из университетов Тохоку (Tohoku University), Твента (University of Twente) и института Вайцмана (Weizmann Institute) (фото Dirk Dahmer, bristol.ac.uk).

Следует пояснить, что ранее квантовое случайное блуждание уже удавалось наблюдать на примере одиночных фотонов. Но, увы, результат однофотонной прогулки не отличается от того, что можно ожидать, описывая частицу как классическую световую волну, за 2003 году об этом опыте вышла статья (PDF) в Physical Review A.

Только в двухфотонной (и более) схеме начинают проявляться причуды мира квантовой механики. Они то и позволяют, теоретически, закодировать огромную информацию в экспоненциально растущем пространстве состояний нескольких взаимодействующих частиц света.

О?Брайен и коллеги считают, что при неуклонном развитии данной технологии, менее чем за десять лет появится компьютер, который сможет проводить вычисления, выходящие далеко за пределы возможностей классических машин.