Российские ученые смогли предсказать аналог квантового эффекта Холла для света в цепочке частиц в волноводе. Это может быть полезно для разработки квантовой памяти и квантовых симуляторов. Исследование опубликовано в журнале NPJ Quantum Information.
Двухфотонные системы сегодня широко применяются в квантовых вычислениях, при передаче данных с квантовым шифрованием, а также для проведения сверхточных измерений. Их использование основано на принципе квантовой запутанности, когда два фотона оказываются связанными между собой, что позволяет получить информацию о состоянии частицы, измерив связанную с ней. Это явление дает возможность создавать квантовые симуляторы и квантовые компьютеры, делать системы криптографии и разрабатывать высокоточные установки для метрологии. Однако в этой области науки остается много неизвестного.
Кубиты — квантовые аналоги битов в компьютерной памяти — можно собрать в цепочку, в которой каждый из них будет передавать информацию соседям. Российские ученые из Университета ИТМО и Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе поместили такую цепочку в волновод, по которому могут распространяться фотоны — кванты электромагнитного излучения. Взаимодействие фотонов и кубитов приводит к появлению поляритона. Это частица, которая обладает свойствами как света, так и материи. Изначально находясь в виде фотона света, попав внутрь кубита, поляритон превращается в электрические токи. Затем кубит их излучает в окружающее пространство, и поляритон снова становится фотоном. При этом частица перемещается дальше по цепочке, перескакивая в другие кубиты, которые не обязательно расположены по соседству с излучающим.
Хотя поведение фотонов в такой системе никак не связано с электрическим током, оно описывается сходными с квантовым эффектом Холла уравнениями. Так российским ученым удалось предсказать фотонный аналог квантового эффекта Холла для двух фотонов, перемещающихся в цепочке из сверхпроводящих кубитов. Раньше подобное поведение исследователи наблюдали только в очень сложных системах, при низких температурах, внешнем магнитном поле или периодической перестройке параметров структуры.
«Мы добавляем волновод, который связывает все кубиты со всеми, — это как телефонная линия между всеми домами в деревне. При этом мы еще учитываем, что в системе каждый кубит может поглотить один фотон, но не может поглотить два фотона сразу. Такое явление называется фотонной блокадой. Условно, если в каком-то доме сняли трубку, отвечая на звонок, то второй звонок одновременно уже не поступит — номер занят. Однако можно позвонить в любой другой дом», — объяснил один из авторов исследования, аспирант Университета ИТМО Никита Олехно.
По словам ученых, результаты их исследования помогут лучше понять поведение многофотонных квантовых систем и продвинуться на шаг ближе к практической реализации устройств для обработки квантовой информации.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
