Kwantowy internet oraz hybrydowe komputery kwantowe, zbudowane z podsystemów pracujących dzięki różnym zjawiskom fizycznym, przestają być mrzonką fantastów.
Nauka w portalu PolskieRadio.pl
Fizycy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (FUW) i Uniwersytetu w Oksfordzie (UO) zaprezentowali kluczowy element takich systemów: elektrooptyczny przyrząd pozwalający w kontrolowany sposób modyfikować cechy pojedynczych fotonów.
W przeciwieństwie do dotychczasowych, laboratoryjnych konstrukcji, nowe urządzenie pracuje z nieosiągalną dotychczas wydajnością, jest przy tym stabilne, niezawodne i kompaktowe.
Zbudowanie wydajnego przyrządu do kwantowego modyfikowania pojedynczych fotonów było zadaniem wyjątkowo trudnym z uwagi na fundamentalne różnice między informatyką klasyczną a kwantową.
Kwantowe wirujące monety
Współczesna informatyka polega na przetwarzaniu grup bitów, z których każdy znajduje się w ściśle określonym, doskonale znanym stanie: jest równy albo 0, albo 1. Grupy takich bitów są ciągle przesyłane zarówno między różnymi podzespołami w ramach jednego komputera, jak też między różnymi komputerami w sieci.
Obrazowo sytuację tę można porównać z przekazywaniem z miejsca na miejsce tacy z leżącymi na niej monetami, przy czym każda moneta jest skierowana ku górze albo reszką, albo orzełkiem.
W informatyce kwantowej sprawy się komplikują. Zjawiskiem leżącym u jej podstaw jest superpozycja stanów. Kwantowy bit - nazywany kubitem - jednocześnie znajduje się i w stanie 0, i w stanie 1.
W ramach użytej przed chwilą analogii odpowiadałoby to sytuacji, gdy moneta wiruje na krawędzi. O kwantowym przetwarzaniu informacji można mówić tak długo, jak długo w trakcie wszystkich operacji udaje się utrzymać superpozycję stanów - a więc jak długo przy przekazywaniu tacy nie wytrąca się ze stanu wirowania żadnej monety.
- W ostatnich latach fizycy opanowali sztukę generowania impulsów świetlnych o konkretnej długości fali czy polaryzacji, składających się z pojedynczego kwantu, czyli wzbudzenia - pola elektromagnetycznego. Dziś potrafimy więc wytwarzać dokładnie takie kwantowe "wirujące monety", jakie chcemy - powiedział dr Michał Karpiński z Instytutu Fizyki Doświadczalnej FUW.
- Ale apetyt rośnie w miarę jedzenia! Skoro mamy już pojedyncze kwanty światła o zadanych cechach, fajnie byłoby móc z tymi cechami coś zrobić. Zadanie brzmi więc mniej więcej tak: masz wirującą srebrną monetę, prześlij ją z miejsca na miejsce, ale po drodze szybko i dokładnie zamień ją na złotą, naturalnie nie wytrącając jej z wirowania. Od razu widać, że problem wcale nie jest trywialny - wskazał.
Dotychczasowe metody modyfikowania pojedynczych fotonów korzystały ze zjawisk optyki nieliniowej. W praktyce sprowadzały się do prób wymuszania oddziaływania między pojedynczym fotonem a bardzo silną, pompującą wiązką światła. O tym, czy poddawany operacji foton zostanie zmodyfikowany, decydował czysty przypadek. Ponadto rozproszone światło wiązki pompującej mogło tu zanieczyścić strumień pojedynczych fotonów.
Przy budowie nowego przyrządu grupa z FUW i Oksfordu postanowiła więc skorzystać z innego zjawiska fizycznego: efektu elektrooptycznego, występującego w niektórych kryształach. - To dość zaskakujące, że do modyfikowania cech kwantowych pojedynczych fotonów możemy z powodzeniem używać technik bardzo podobnych do stosowanych w standardowej telekomunikacji światłowodowej - stwierdził dr Karpiński.
Za pomocą nowego urządzenia naukowcy - nie niszcząc superpozycji - sześciokrotnie wydłużyli czas trwania impulsu jednofotonowego, co automatycznie wiązało się z zawężeniem jego widma, czyli spektrum kolorów. Szczególnie ważny jest tu fakt, że całą operację udało się zrealizować przy zachowaniu bardzo dużej wydajności.
Nowy konwerter jest nie tylko wydajny i niskoszumny, ale także stabilny i kompaktowy: urządzenie można zamknąć w pudełku o rozmiarach kilkunastocentymetrowych, łatwym do zainstalowania na światłowodzie przesyłającym pojedyncze fotony. Takie urządzenie pozwala realistycznie myśleć o budowie np. hybrydowego komputera kwantowego, którego poszczególne podzespoły przetwarzałyby informację kwantowo z użyciem różnych zjawisk fizycznych.
PAP Nauka w Polsce, kk
