Новая теория захвата легких частиц направлена ​​на развитие квантовых компьютеров

Квантовые компьютеры, которые используют легкие частицы (фотоны) вместо электронов для передачи и обработки данных, обещают новую эру исследований, в которой время, необходимое для реализации жизненно важных лекарств и новых технологий, будет значительно сокращено. Фотоны являются многообещающими кандидатами для квантовых вычислений, потому что они могут распространяться на большие расстояния без потери информации, но когда они хранятся в веществе, они становятся хрупкими и подверженными декогеренции.

Теперь исследователи из Инициативы по фотонике в Центре передовых научных исследований (ASRC) в Центре выпускников, CUNY разработали новый протокол для хранения и высвобождения одного фотона во встроенном собственном состоянии — квантовом состоянии, которое практически не зависит от потерь и декогеренции., Новый протокол, подробно изложенный в текущем выпуске Optica, направлена на продвижение развития квантовых компьютеров.

«Цель состоит в том, чтобы хранить и выпускать отдельные фотоны по требованию, одновременно обеспечивая стабильность данных», — сказала Андреа Алу, директор-основатель Инициативы по фотонике ASRC и профессор физики Эйнштейна в Центре выпускников. «Наша работа демонстрирует, что возможно ограничить и сохранить один фотон в открытой полости и оставить его там до тех пор, пока другой фотон не побудит его продолжать свое распространение».

Исследовательская группа использовала методы квантовой электродинамики для разработки своей теории. Они исследуют систему, состоящую из атома и полости, последняя из которых частично открыта и поэтому обычно позволяет свету, захваченному в системе, просачиваться и быстро теряться. Исследовательская группа, однако, показала, что при определенных условиях явление деструктивных помех может предотвратить утечку и позволить одиночному фотону находиться в системе бесконечно долго.

Это встроенное собственное состояние может быть очень полезным для хранения информации без деградации, но закрытая природа этого защищенного состояния также создает барьер для внешних раздражителей, так что одиночные фотоны также не могут быть введены в систему. Исследовательская группа смогла преодолеть это ограничение, одновременно возбуждая систему двумя или более фотонами.

«Мы предложили систему, которая действует как закрытая коробка, когда возбуждается одним фотоном, но она открывается очень эффективно, когда мы ударяем ее двумя или более фотонами», — сказал Мишель Котруфо, первый автор статьи и постдокторский сотрудник с Инициатива ASRC по фотонике. «Наша теория показывает, что два фотона могут быть эффективно введены в замкнутую систему. После этого один фотон будет потерян, а другой будет захвачен при закрытии системы. Сохраненный фотон может сохраняться в системе бесконечно».

В реалистичных системах дополнительные недостатки могут помешать идеальному ограничению фотонов, но расчеты исследовательской группы показали, что их протокол превосходит предыдущие решения, основанные на одной полости. Авторы также показали, что сохраненный возбужденный фотон впоследствии может быть выпущен по требованию, посылая второй импульс фотонов.

Выводы команды могут решить критические проблемы квантовых вычислений, включая генерацию запутанных фотонных состояний и квантовой памяти по требованию. В настоящее время группа изучает возможности экспериментальной проверки своих теоретических работ.