Створений перший оптичний транзистор, керований єдиним фотонами світла
Дослідники з Массачусетського технологічного інституту, Гарвардського та Віденського технологічного університету розробили новий тип оптичного ключа, управління станом якого здійснюється за допомогою одного єдиного фотона світла. Функції цього ключа, які можуть бути використані в областях оптичних і квантових обчислень, аналогічні функціям напівпровідникового транзистора в звичайних електронних схемах.
Це досягнення має важливе значення для області оптичних обчислень, які можуть бути реалізовані за рахунок оптичних схем, що використовують для зберігання і обробки даних фотони світла замість електронів. Такий підхід може призвести до зниження енергії, що витрачається, адже для зберігання і передачі одиниці інформації достатньо одного фотона, на створення якого витрачається енергія у багато разів менше, ніж на передавання одного біта традиційним електронним шляхом.
Так чому ж люди ще не створили працездатні оптичні обчислювальні пристрої? Вся проблема полягає в тому, що фотони, на відміну від несуть електричний заряд частинок, практично не взаємодіють один з одним і з матеріалом середовища, в якій вони поширюються. Два фотона, "зіткнувшись" у вакуумі, пройдуть один через одного, абсолютно не помітивши цього.
Тому, для управління потоком фотонів з допомогою тих же самих фотонів потрібні спеціальні оптичні ключі. Ключ, про який зараз йде мова, є далеко не першою реалізацією такого ключа, але з усіх інших подібних пристроїв його виділяє те, що управління станом ключа проводиться за допомогою одного єдиного фотона.
Основою цього оптичного транзистора є два дзеркала, між якими знаходиться ізольований об'єм, заповнений газом з атомів цезію, охолоджених до наднизької температури. Дзеркала встановлені паралельно і на певній відстані один від одного, яке точно калибровано щодо довжини хвилі світла. Це дозволяє внутрішньому об'єму оптичного транзистора діяти в якості оптичного резонатора, світ в якому коливається між двох дзеркал, не змінюючи фази коливань.
Відомо, що фотони світла мають дуалізмом, вони можуть розглядатися одночасно як частинки і як електромагнітні хвилі. Фотон-частинка, потрапляючи зовні на одне з дзеркал, повинен позначиться і повернутися до джерела світла, але хвильові властивості того ж фотона дозволяють йому пройти крізь дзеркало і потрапити в порожнину резонатора. Коливання "керуючого" фотона в порожнині оптичного резонатора, що взаємодіє з атомами цезію, створюють електромагнітні поля, компенсуючі ефект обох дзеркал і настільки сильно змінюють фізичні властивості порожнини, що інші фотони отримують можливість не затримуючись проходити через структуру оптичного транзистора, правда не всі, а приблизно 20 відсотків.
Практично це пристрій працює як оптичний ключ, який проводить або не проводить світло залежно від наявності "керуючого" фотона в його резонансній порожнині, який виконує роль електричного потенціалу на затворі звичайного польового транзистора.
Наявність пристрою, оптичного ключа, здатного змінювати стан з допомогою одного фотона, відкриває можливість створення безлічі оптичних схем, які працюють за рахунок ефекту квантової суперпозиції, які в майбутньому можуть стати базовими вузлами квантових комп'ютерів, для яких, як ми розповідали недавно, вже був розроблений мова програмування високого рівня.