Вчені розробили новий спосіб неруйнівного детектування окремих фотонів, застосовний в області квантових обчислень
Фотони світла, ці крихітні частинки, служать для перенесення інформації в більшості квантових обчислювальних систем, і для того, щоб скористатися інформацією, що міститься в фотонах, потрібно технологія детектування і вимірювання параметрів одиничного фотона. Всі такі технології, які є в розпорядженні вчених, засновані на процесі поглинання фотона матеріалом детектора, що призводить до руйнування самого фотона і укладеної в ньому інформації. Але в статті, опублікованій в журналі Science від 5 листопада 2013 року, вчені з Інституту квантової оптики Макса Планка, Німеччина, описали новий метод детектування одиничних фотонів шляхом відображення цього фотона ядром атома певного речовини, що знаходиться в стані квантової суперпозиції.
Атомне ядро, що знаходиться в стані квантової суперпозиції, це ядро атома певного матеріалу, яке з допомогою впливу зовнішнього фактора, магнітного поля або світла лазера, знаходиться в унікальному стані, відразу в двох енергетичних станах. Це ядро атома може обертатися одночасно у двох протилежних напрямках, або, як було зроблено в описаному експерименті, або знаходитися в двох різних електронних енергетичних станах.
Коли фотон світла стикається з ядром, що перебувають у стані нестійкої квантової суперпозиції, вплив від зіткнення змінює квантовий стан ядра атома в ту чи іншу сторону, а ця зміна, у свою чергу, може бути зареєстровано та виміряно масою різних способів, наявних у розпорядженні вчених. Але найцікавішим є той факт, що фотон світла не поглинається ядром атома, він відбивається від нього, змінюючи лише напрям свого руху, при цьому всі інші параметри фотона, так само як і записана в ньому інформація, залишаються незмінними. Це дозволяє зробити кілька повторних таких вимірів, що дозволяють у багато разів збільшити точність і надійність зчитування інформації.
Такий "недеструктивная" метод детектування одиничних фотонів і вимірювання їх параметрів може бути використаний у безлічі самих різних областей науки і техніки. Але найважливішим напрямком застосування цього методу, безумовно, є область квантових обчислень. Завдяки цьому методу стане можливою реалізація атомів-детекторів фотона, які будуть виступати і в ролі квантових бітів, кубітів, що виконують роль осередків квантової пам'яті і логічних елементів, що виконують обробку квантової інформації.
Цілком ймовірно, що технологію неруйнівного детектування фотонів вдасться об'єднати з технологією створення квантових бітів, здатних тримати в цілості квантову інформацію дуже тривалий час при нормальній температурі навколишнього середовища. А якщо прориви в області квантових технологій будуть і далі відбуватиметься такими ж темпами, як і останнім часом, то дуже скоро порівняно з новими квантовими персональними комп'ютерами і смартфонами нинішні цифрові електронні пристрої будуть виглядати чимось на зразок стародавніх канцелярських рахунок з кісточками або примітивних механічних арифмометров.