Журнал "Компьютерра" N730 - N730 Компьютерра

Еще один шаг на тернистом пути к полноценным квантовым информационным системам удалось сделать физикам из Бристольского университета в Великобритании. Там впервые реализовали квантово-оптические логические вентили непосредственно в кремниевом чипе.

Речь идет о реализации полностью оптического вентиля CNOT (контролируемое отрицание). У такого вентиля поступающий на вход кубит передается на выход неизменным, если на втором управляющем входе ноль, но изменяется на противоположный, если на управляющем входе единица. Ранее вентиль уже был реализован на лабораторном оптическом столе с помощью сложного набора зеркал, смесителей и делителей лучей, а также сопутствующего оборудования. Разумеется, о практическом использовании подобных конструкций никто и не помышлял. Теперь ученым удалось вместить сразу сотню таких вентилей в небольшой кремниевый чип, изготовленный с помощью обычной фотолитографии.

Громоздкую настольную конструкцию заменили шесть параллельных оптических волноводов из кварца размером 3,5х3,5 мкм, рассчитанных на излучение лазера с длиной волны 804 нм. Волноводы в чипе разнесены на десятки микрон, но на пяти отрезках некоторые из них попарно сближаются на расстояние порядка длины волны так, чтобы фотоны могли с заданной вероятностью туннелировать из одного волновода в другой. Похожие волноводные разделители лучей сегодня часто используют в оптическом телекоммуникационном оборудовании.

Если два летящих по соседним волноводам фотона одновременно попадают на участок сближения, то фотоны испытывают там квантовую интерференцию и "запутываются" между собой. Весь оптический вентиль CNOT работает довольно хитрым образом, трижды "перепутывая" фотоны из пар входных и управляющих волноводов.

Эксперименты показали, что чип получился удачным и вероятность успеха каждого квантового "запутывания" и других оптических процессов в нем более 92%. Тем не менее вероятность того, что весь вентиль сработает успешно, пока не превышает 11%. В принципе, эту трудность легко обойти, установив дополнительные волноводы для проверки успешности срабатывания вентиля. Над этим и над задачей интеграции излучателей и фотоприемников непосредственно в оптический чип ученые и трудятся сегодня. ГА

Блестящая идея пришла в голову профессору Массачусетского технологического института Сету Ллойду (Seth Lloyd). Пока специалисты по квантовой информации безуспешно борются с тепловым шумом, который быстро разрушает нежные квантовые состояния, ученый решил "перевернуть" задачу и использовать квантовые состояния именно для борьбы с шумом.

Для решения (пока, к сожалению, только умозрительного) этой задачи пригодилась уже созданная теория и накопленный опыт работы с запутанными квантовыми состояниями частиц, в которых одна частица "чувствует" состояние своей "напарницы". В работе речь идет о фотонах и оптике, но сама идея применима и к любым другим квантовым частицам.

Обычно в оптической системе для получения изображений (вроде микроскопа или кинокамеры) требуется сначала осветить объект, а потом регистрировать отраженный им свет. И если освещение слабое, а в фотоприемник попадают лишние фотоны от случайных источников, то изображение размывается вплоть до полной неразличимости. Обычный фотоприемник не в состоянии отличить отраженные объектом и несущие полезную информацию фотоны от фотонов шума, но квантовый подход, в принципе, позволяет это сделать.

Для этого профессор предлагает взять пару запутанных фотонов, одним из которых можно осветить объект, а второй оставить для последующего сравнения с первым, дабы отличить его от фотонов шума, когда он вернется, отразившись от объекта. Как именно это сделать, пока не очень понятно. Можно, например, сложить два запутанных фотона в нелинейном кристалле так, чтобы получить один с вдвое большей энергией и уже его регистрировать фотоприемником. Обратный процесс, называемый даунконверсией, обычно используют как раз для получения пар запутанных фотонов. Но тут еще нужно угадать время задержки для второго фотона, равное времени полета первого фотона до объекта и обратно. Если подобные трудности удастся преодолеть, то, согласно предложенной теории, можно будет существенно улучшить отношение сигнала и шума оптической системы. И это улучшение тем сильнее, чем лучше фотоны запутаны.

По всей видимости, похожая техника может пригодиться не только для получения изображений. Таким образом можно снижать шумы в оптических телекоммуникационных сетях, а также при измерении или передаче слабых электрических сигналов, если вместо фотонов использовать электроны. Остается уповать на то, что экспериментальное подтверждение этой оригинальной теории не заставит себя ждать. ГА

Неожиданные результаты получили физики из Корнелльского университета, детально исследовавшие так называемое спин-орбитальное взаимодействие электронов и дырок в углеродных нанотрубках. Это взаимодействие оказалось неожиданно сильным, что в корне меняет взгляд на возможные приложения нанотрубок в спинтронике и квантовых вычислениях.

Спин-орбитальное взаимодействие - это слабый релятивистский эффект, который приводит к небольшому расщеплению спектральных линий атомов. Он возникает из-за того, что спины электронов, движущихся по орбитам вокруг ядра, "чувствуют" магнитное поле, порождаемое зарядом ядра, которое, как ток в катушке соленоида, "вращается вокруг электрона" в связанной с самим электроном системе отсчета. Несмотря на свою слабость, спин-орбитальное взаимодействие играет важную роль в спинтронике. Именно оно приводит к тому, что спин движущихся по проводнику электронов, взаимодействуя с зарядами ядер атомов, быстро приобретает случайную ориентацию. Этот эффект сильно сдерживает прогресс спинтроники, в которой два возможных значения спина электрона в дополнение к его заряду используются для кодирования информации.

Сила спин-орбитального взаимодействия пропорциональна четвертой степени заряда ядра. Поэтому многие специалисты полагали, что в углероде с зарядом 6 оно будет пренебрежимо мало по сравнению, например, с медью с зарядом ядра 29. А значит, углеродные нанотрубки с толщиной стенок в один атом, благодаря высокой проводимости, прочности и стабильности, могли бы стать прекрасными проводниками и для спинтроники. Но на самом деле все оказалось устроено иначе.

Чтобы исследовать спин-орбитальное взаимодействие в нанотрубках, ученым пришлось сначала исключить гораздо более сильное кулоновское взаимодействие между электронами. Для этого бездефектную нанотрубку длиной 500 нм закрепили между электродами, а под ней расположили пару электродов затвора. На электроды подавали напряжение так, чтобы в нанотрубке в результате кулоновской блокады сформировалась "квантовая точка" длиной около 200 нм. В эту точку помещается лишь один электрон или дырка. Спин этого единственного электрона мог иметь пару возможных направлений вдоль нанотрубки, а сам электрон мог вращаться вокруг нанотрубки по часовой стрелке или против нее. Если бы спин-орбитальное взаимодействие было слабым, то все эти четыре комбинации имели бы одинаковую энергию.

Но энергетических уровней оказалось два. Большей энергией обладали состояния, в которых спин и орбитальный магнитный момент электрона были направлены в разные стороны. Причем величина энергетической щели достигала 0,37 meV, что на несколько порядков больше, чем ожидалось. Во внешнем магнитном поле два уровня разбивались на четыре, что дополнительно подтверждает наличие сильного спин-орбитального взаимодействия.

Эти важные результаты означают, что нанотрубки не годятся в качестве проводников для спинтроники, зато их можно эффективно использовать для различных манипуляций со спином без использования магнитного поля, реализации всевозможных запутанных квантовых состояний и еще массы приложений, которые еще только предстоит изобрести.

Но самые удивительные результаты ученые получили, изучая поведение дырки (то есть отсутствие электрона). Дырку в нанотрубке сформировали в той же квантовой точке. И вопреки всем теориям, которые дружно предсказывают, что спин-орбитальное взаимодействие дырки должно быть точно таким же, как у электрона, она вела себя прямо противоположным образом. Это новое явление теоретикам еще предстоит объяснить, и уж применения для него наверняка найдутся. ГА

Галактион Андреев

Александр Бумагин

Егор Васильев

Владимир Головинов

Евгений Гордеев

Евгений Золотов

Сергей Кириенко

Денис Коновальчик

Игорь Куксов

Максим Мусин

Павел Протасов

Иван Прохоров

Дмитрий Шабанов

Десять лет без права переписки