В течение многих лет исследователи были заинтересованы в разработке квантовых компьютеров - теоретически следующего поколения технологий, которые превзойдут обычные компьютеры. Вместо того, чтобы хранить данные в битах, цифровых единицах, используемых сегодня компьютерами, квантовые компьютеры хранят информацию в единицах, называемых «кубитами». Один из подходов к вычислениям с кубитами основан на создании двух отдельных фотонов, которые интерферируют друг с другом в устройстве, называемом волноводом. Результаты недавнего прикладного научного исследования в Калифорнийском технологическом институте подтверждают идею о том, что волноводы в сочетании с другой квантовой частицей - поверхностным плазмоном - также могут стать важной частью головоломки квантовых вычислений.
Работа опубликована в печатной версии журнала Nature Photonics на неделе 31 марта.
Как следует из их названия, поверхностные плазмоны существуют на поверхности - в данном случае на поверхности металла, в точке, где металл встречается с воздухом. Металлы являются проводящими материалами, а это означает, что электроны внутри металла могут свободно перемещаться. На поверхности металла эти свободные электроны движутся вместе, в коллективном движении, создавая волны электронов. Плазмоны - квантовые частицы этих координированных волн - родственны фотонам, квантовым частицам света (и всех других форм электромагнитного излучения).
«Если представить поверхность металла как море электронов, то поверхностные плазмоны - это рябь или волны на этом море», - говорит аспирант Джим Факонас, первый автор исследования.
Эти волны особенно интересны, потому что они колеблются на оптических частотах. Следовательно, если вы направите свет на поверхность металла, вы можете запустить одну из этих плазмонных волн, расталкивая рябь электронов по поверхности металла. Поскольку эти плазмоны напрямую взаимодействуют со светом, исследователи использовали их в фотоэлектрических элементах и других приложениях для солнечной энергии. В будущем они также могут иметь многообещающие применения в области квантовых вычислений.
Однако странное поведение плазмона, которое находится где-то между поведением электрона и фотона, затрудняет его характеристику. «Согласно квантовой теории, должно быть возможно анализировать эти плазмонные волны с помощью квантовой механики» - физики, управляющей поведением материи и света на атомном и субатомном уровне, - «точно так же, как мы можем использовать ее для изучения электромагнитных волн». волны, как свет», - говорит Факонас. Однако в прошлом исследователям не хватало экспериментальных данных, подтверждающих эту теорию.
Чтобы найти это доказательство, Факонас и его коллеги в лаборатории Гарри Этуотера, профессора прикладной физики и материаловедения Говарда Хьюза, рассмотрели одно конкретное явление, наблюдаемое у фотонов - квантовую интерференцию - чтобы увидеть, проявляют ли это плазмоны. эффект.
Прикладные ученые позаимствовали свою экспериментальную технику из классического теста квантовой интерференции, в котором два одиночных идентичных фотона запускаются друг в друга через противоположные стороны светоделителя 50/50, устройства, которое действует как несовершенное зеркало., отражая половину света, достигающего его поверхности, пропуская при этом другую половину света. Если наблюдается квантовая интерференция, оба идентичных фотона должны появиться вместе на одной стороне светоделителя, а их присутствие будет подтверждено детекторами фотонов по обеим сторонам зеркала.
Поскольку плазмоны не совсем похожи на фотоны, их нельзя использовать в зеркальных оптических светоделителях. Поэтому, чтобы проверить наличие квантовой интерференции в плазмонах, Факонас и его коллеги сделали два волноводных пути для плазмонов на поверхности крошечного кремниевого чипа. Поскольку плазмоны имеют большие потери, то есть легко поглощаются окружающими их материалами, путь остается коротким, заключенным в чип размером 10 микрон, что снижает поглощение на пути.
Волноводы, которые вместе образуют устройство, называемое направленным ответвителем, действуют как функциональный эквивалент светоделителя 50/50, направляя пути двух плазмонов так, чтобы они мешали друг другу. Плазмоны могут выходить из волноводов по одному из двух выходных путей, каждый из которых наблюдается детектором; если оба плазмона выходят из направленного ответвителя вместе, что означает, что наблюдается квантовая интерференция, пара плазмонов вызовет срабатывание только одного из двух детекторов.
Действительно, эксперимент подтвердил, что два неразличимых фотона могут быть преобразованы в два неразличимых поверхностных плазмона, которые, подобно фотонам, проявляют квантовую интерференцию.
Это открытие может иметь важное значение для развития квантовых вычислений, говорит Этуотер. «Примечательно, что плазмоны достаточно когерентны, чтобы проявлять квантовую интерференцию в волноводах», - говорит он. «Эти плазмонные волноводы могут быть интегрированы в компактные устройства и схемы на основе чипов, которые однажды могут позволить реализовать схемы вычислений и измерений, основанные на квантовой интерференции."
До этого эксперимента некоторые исследователи задавались вопросом, не предотвратит ли взаимодействие фотона с металлом, необходимое для создания поверхностного плазмона, квантовую интерференцию плазмонов. «Наш эксперимент показывает, что это не проблема», - говорит Факонас.
Мы узнали кое-что новое о квантовой механике поверхностных плазмонов. Главное, что мы смогли подтвердить теоретическое предсказание; мы показали, что этот тип интерференции возможен с плазмонами, и мы сделали довольно чистое измерения», - говорит он. «Квантовая интерференция, проявляемая плазмонами, оказалась почти идентичной интерференции фотонов, поэтому я думаю, что кому-то будет очень сложно разработать другую структуру, которая улучшила бы этот результат».