«Запутанность-на-чипе»: еще один шаг в сторону квантовых компьютеров

В отличие от волшебного кольца Бильбо, которое запутывает людские сердца, инженеры создали новое микрокольцо, которое запутывает

В отличие от волшебного кольца Бильбо, которое запутывает людские сердца, инженеры создали новое микрокольцо, которое запутывает отдельные частицы света. Это первый важный шаг для целого ряда новых технологий.

Квантовая запутанность — мгновенная связь между двумя частицами вне зависимости от их расстояния друг от друга — один из самых интересных, многообещающих и интригующих феноменов физики. Правильно настроенные запутанные фотоны могут осуществить революцию в вычислительной технике, коммуникационных технологиях и кибербезопасности. Хотя запутанность уже создавалась в лаборатории и даже в сравнительно крупных оптоэлектронных компонентах, практический источник запутанных фотонов, который может разместиться на обычном компьютерном чипе, остается неуловимым.

Новое исследование, опубликованное в журнале Optica, описывает, как команда ученых впервые в истории создала микроскопический компонент, достаточно небольшой, чтобы он мог поместиться на стандартной кремниевой микросхеме, которая может обеспечить непрерывную подачу запутанных фотонов.

Новая конструкция основана на уже известной кремниевой технологии, известной как микрокольцевой резонатор. Эти резонаторы на самом деле представляют собой петли, которые могут запутывать, а затем переизлучать частицы света. Корректируя дизайн этого резонатора, ученые создали новейший источник запутанных фотонов, невероятно малый и высокоэффективный, что делает его идеальным компонентом-на-чипе.

«Главное преимущество нашего нового источника заключается в том, что он маленький, яркий и основан на кремнии, — говорит Даниэль Бажони, ученый из Университета Павии в Италии, соавтор работы. — Диаметр кольцевого резонатора — 20 микрон, одна третья ширины человеческого волоса. Предыдущие источники были в сотни раз больше, чем тот, что мы разработали».

От запутанности к инновациям

Ученые и инженеры давно признали огромный практический потенциал запутанных фотонов. Это любопытное проявление квантовой физики, которое Эйнштейн называл «жутким действием на расстоянии», имеет два важных значения для мира современных технологий.

Во-первых, если что-то воздействует на один из запутанных фотонов, другой мгновенно отреагирует на это действие, даже если находится на противоположной стороне компьютерного чипа или на противоположном конце галактики. Такое поведение можно использовать для увеличения мощности и скорости вычислений. Во-вторых, если два фотона в некотором роде можно считать единым целым, это позволяет создать коммуникационный протокол, который будет неподвластным никакому взлому.

Зеленая волна — пучок лазера; красные и синие — запутанные пары фотонов

Это невозможное на первый взгляд поведение имеет важное значение для развития определенных технологий следующего поколения, таких как компьютеры, которые будут намного мощнее, чем самые современные и продвинутые суперкомпьютеры современности, а также безопасных телекоммуникаций.

Запутанность-на-чипе

Однако, чтобы воплотить эти новые технологии в жизнь, нужен новый класс излучателей запутанных фотонов, которые можно будет легко включить в существующие технологии кремниевых микросхем. Достичь этой цели было непросто.

На сегодняшний день излучатели запутанных фотонов — сделанные в основном из специально спроектированных кристаллов — могут быть уменьшены только до нескольких миллиметров, что на много порядков больше, чем нужно для приложений на-чипе. Кроме того, такие элементы требуют много энергии, весьма важной части в области телекоммуникаций и вычислений.

Чтобы решить эти проблемы, ученые изучили потенциал кольцевых резонаторов в качестве нового источника запутанных фотонов. Эти хорошо зарекомендованные оптоэлектронные компоненты могут быть легко вытравлены на кремниевой подложке точно так же, как и другие компоненты полупроводниковых чипов. Чтобы «накачать», или запитать, резонатор, вдоль оптического волокна на входной стороне образца направляется лазерный пучок, который затем соединяется с резонатором и запускает фотоны в гонку вокруг кольца. В этой петле у фотонов появляется идеальная среда для общения и запутывания.

Когда фотоны выходят из резонатора, ученые установили, что значительное их число оказывается запутанными.

«Наше устройство способно излучать свет с поразительными квантовыми свойствами, которые никогда не наблюдались на примере встроенного источника, — говорит Бажони. — Скорость, с которой образуются запутанные фотоны, беспрецедентна для кремниевых интегрированных источников и сравнима по объемам выдачи с мощными кристаллами, накачиваемыми очень мощными лазерами».

Применение и будущее технологии

Ученые считают, что их работа имеет особое значение, так как демонстрирует, впервые в истории, квинтэссенцию квантового эффекта — запутанности — в уже проверенной и хорошо известной технологии.

«За последние несколько лет кремниевые интегрируемые устройства разрабатывались для фильтрации и направления света, по большей части для телекоммуникационных приложений, — говорит Бажони. — Наш микрокольцевой резонатор легко может быть использован вместе с такими устройствами, что приближает нас к полноценной запутанности-на-чипе».

Таким образом, эта работа может способствовать принятию квантово-информационных технологий, в частности протоколов квантовой криптографии. По мнению Бажони и его коллег, эти протоколы уже были продемонстрированы и протестированы. Им не хватает нескольких деталей, в том числе и небольшого и надежного источника запутанных фотонов, способных распространяться в оптоволоконных сетях. Проблема, получается, решена.