FAQ: Квантовые интерфейсы

1. Перезапись информации с фотона на атом

Что значит переписать информацию с фотона на атом? Какая информация может содержаться в фотоне? Это может быть информация о поляризации фотона, его частоте, форме и фазе. В атоме содержится информация, связанная с энергией возбуждения, с фазой колебаний внутри атома и ориентацией спина электрона. Таким образом, в принципе возможно переписать с фотона на атом почти всю информацию, но немного в другой форме. То есть информацию о световой волне и ее распространении мы записываем в то, как вращается электрон в атоме. Естественно, возможно и обратное — состояние атома можно переписать на фотон.

2. Скорость света в линзе

Как работает линза в очках? Свет в линзе не распространяется со скоростью света в вакууме. Почему так получается? Ведь линза прозрачная, свет проходит сквозь нее. Дело в том, что на самом деле свет взаимодействует с атомами этой линзы, он поглощается этой системой и потом переиспускается, и при этом возникает небольшая задержка. Эта задержка и ответственна за то, что скорость света в линзе меньше, чем скорость света в вакууме. Данный эффект отвечает за преломление. То есть фотон в каком-то смысле постоянно переписывается на атомы и обратно, но единственное изменение, которое при этом происходит, — это задержка, в остальном фотон остается неизменным. Задача интерфейса такая же, но при этом интересно также иметь возможность хранить информацию в атомах, а не сразу преобразовывать ее в фотон. Мы хотим взять под контроль явление, существующее в природе, изменив его в удобной нам форме. Поменять среду так, чтобы импульс света распространялся лишь тогда, когда мы разрешим.

3. Проблемы построения квантового интерфейса

Какие возникают сложности на этом пути? Атом по сути своей достаточно маленький объект и с точки зрения электромагнитного поля его размер примерно равен длине волны этого поля (только в том случае, если это поле, резонансное данному атому, если нерезонансное, то размер еще меньше). Мы знаем, что стекло прозрачное: свет проходит через него и не поглощается. Значит, на длине волны видимого света там нет никакого сечения взаимодействия. А это не делает задачу построения интерфейса проще, потому что сжать фотон до размера длины волны — задача очень непростая.

Данную задачу можно решать с разных сторон. Первый, казалось бы, очевидный путь — сжать фотон. Но тут мешает природа: существует дифракция, которая не позволяет вам сжать свет меньше некоторого размера. Уменьшить размер фотона существенно меньше длины волны крайне сложно. С технической точки зрения вам необходимы огромные линзы. Поднести огромную линзу близко к одиночному атому — плохо реализуемая задача.

Можно менять сами атомы. Заменять их, например, на искусственные атомы, таких атомов много. Искусственными атомами могут служить центры окраски в кристаллах. Кристаллы могут быть разные: кто-то использует кремний, потому что он очень хорошо изучен, кто-то — кварц, самый популярный — это алмаз. Другими искусственными атомами могут быть квантовые точки. Квантовые точки — это такие объекты, в которых за счет их маленького размера может существовать только одно возбуждение. Из-за ограничения размера квантовой точки ее характерная частота или цвет также определятся размером. Получается аналог атома, у которого можно выбрать частоту.

Замена атомов на искусственные решает лишь одну проблему: позволяет разместить их в удобном для работы месте. Но не решает проблему интерфейса в принципе.

4. Увеличение числа попыток как возможное решение

Другой подход, до которого люди очень быстро догадались, — увеличение числа попыток. Пусть эксперимент, с моей точки зрения, будет один, а с точки зрения атома их будет много. Это сделать легко: поставить вокруг атома два зеркала и пустить фотон между ними. В данном случае фотон будет отражаться от одного зеркала, от второго и много раз взаимодействовать с нужным атомом, а исследователь будет наблюдать за системой.

Это интересный подход, хорошо развитый на сегодняшний день, но в нем существует проблема, связанная с тем, что теперь наш резонатор необходимо очень точно настроить на длину волны перехода в атоме. Расстояние между зеркалами надо выдержать с огромной точностью, так, чтобы фотон, отражаясь, действительно двигался туда-обратно, а не вылетел из интерферометра. Это сложная, но, в принципе, решаемая задача. С другой стороны, все искусственные атомы разные, ведь они сделаны людьми. А мы не умеем делать что-то абсолютно точно. Поэтому, если вы захотите сделать устройство, в котором несколько таких атомов друг с другом взаимодействуют, вам надо научиться настраивать сами атомы друг на друга. Возникает идея, что использование естественных атомов эффективнее, ведь они одинаковы. Интерес представляло бы построение устройства, которое бы умело «разговаривать» с отдельными атомами, но при этом все-таки с каждым с очень высокой эффективностью, и не требовало жесткой настройки. В настоящее время этот вопрос не является решенным.

5. Оптический транзистор

В группе в Гарварде мы построили интерфейс, который основан на резонаторе, но позволяет «разговаривать» с одним атомом с очень высокой вероятностью. Тем не менее данный интерфейс требует подстройки, метод которой также был разработан. Мы умеем «разговаривать» с одним атомом, потенциально можем положить много атомов на одно устройство и заставить их взаимодействовать друг с другом. Мы можем сделать такие интересные устройства, как оптический транзистор, то есть буквально переключать отдельными фотонами потоки фотонов через наше устройство. Конечно, интереснее было бы создать устройство, не требующее никакой настройки.

6. Фотонные кристаллы

До некоторой степени мы уже освоили технику, как поместить атом рядом с системой. Это технология, которая основывается на фотонных кристаллах. Фотонные кристаллы — это на самом деле просто набор дырок в полупроводнике. Но это упорядоченный набор дырок, который образует что-то похожее на кристаллическую решетку в твердых телах. Мы знаем, что в алмазах, в кварце есть жестко упорядоченная кристаллическая решетка. В полупроводниках наличие такой кристаллической решетки приводит к тому, что для электронов возникают запрещенные зоны и разрешенные зоны, которые делятся на валентную зону и зону проводимости. Если электрон в зоне проводимости, он может распространяться, если он попадает в запрещенную зону, то не может. Фотонные кристаллы — то же самое, только применительно к свету. За счет регулярной структуры дырок тот потенциал, который видит для себя свет, имеет разрешенные и запрещенные зоны. Если свет попадает в запрещенную зону, он не может распространяться, если в разрешенную, то может.

Есть идея, никем еще не проверенная, что можно использовать свойства фотонных кристаллов для того, чтобы атом сам формировал для себя резонатор и сам начинал «разговаривать» с этой структурой. Поскольку все атомы одинаковые, то, если несколько атомов подносить к одной структуре, они будут «разговаривать» друг с другом. Но это открытый вопрос, такого эксперимента еще никто не проводил. Это только теоретическая модель, которая, может быть, когда-нибудь будет реализована. Конечно, если это произойдет, то для квантовых информационных устройств это будет большим прорывом.

7. Плазмоника

Сжать фотон в свободном пространстве действительно нельзя из-за дифракции, но в присутствии какого-то третьего тела в принципе возможно. Один из способов — это использование плазмоники. Плазмоны — это электромагнитные волны, которые распространяются на поверхности металла. И поскольку это поверхность металла, то волна сопровождается током, который течет по поверхности на оптической частоте. Такие возбуждения, оказывается, тоже могут рассматриваться как частицы. Но для нас интересен не столько тот факт, что они могут рассматриваться как частицы, сколько то, что они оказываются сильно локализованы около поверхности. Дело в том, что в металлах электромагнитные волны распространяться не могут, только на поверхности разрешена особенная волна, и она оказывается довольно сильно прижатой к поверхности металла. Степень, с которой электромагнитная волна прижата к поверхности металла, можно контролировать геометрией данного металла. Например, в очень тонких проволоках волны будут очень сильно прижаты к поверхности металла. Если поместить атом или искусственный атом вблизи такой поверхности, он так же сильно будет взаимодействовать с плазмонной модой. Таким образом, можно построить интерфейс, который не будет использовать резонатор. Он будет широкополосным, но он будет тем не менее обеспечивать очень высокую эффективность взаимодействия атома с нашей структурой, а свет может распространяться теперь уже в виде плазмонов по этой структуре.

Сложность заключается в том, что плазмоны, поскольку связаны с током, обладают омическими потерями, связанными с нагревом проволоки. Это довольно большая проблема. Свет не может распространяться по плазмонам на расстояние больше, чем несколько микрон, а это не очень много. Кроме того, мы не хотим, чтобы процессор, основанный на таких устройствах, превратился в сковородку. Данная проблема не решена на сегодняшний день, но есть идеи, как это можно сделать: за счет использования другой геометрии плазмонов, за счет увеличения роли диэлектрика в распространении света. Например, если взять две проволоки и посмотреть моду, которая распространяется между ними, у нее потерь будет уже существенно меньше. Возможно, можно использовать усиление, комбинации диэлектриков с плазмонами, используя плазмоны только тогда, когда это необходимо. Работы в этом направлении ведутся довольно активно.

Вопросов пока еще очень много, но недавно показали, что длину распространения плазмонов можно существенно увеличить. Мы сами добились очень сильного взаимодействия между светом и атомом, используя плазмоны. Поэтому это еще одно направление, которое может быть очень интересным как для обычной, так и для квантовой электроники.