Стремление к квантовым вычислениям: перебор фотонов с нано-антенной
Хорошие новости для тех, кто с нетерпением ждет квантовых вычислений. Группа физиков из Еврейского университета в Иерусалиме в Израиле разработала единственный источник фотонов, который не только компактен, но и работает при температуре окружающей среды.
Команда, работающая над этим единственным источником фотонов, возглавляет доктор Ронен Рапапорт из Института физики Рака в университете и полностью состоит из прикладных физиков: Ницана Ливнеха, Моше Г. Хараца, Даниэля Истрати и Хагаи Эйзенберга.
Фотоны в суперкомпьютере
Фотоны были идентифицированы как наиболее перспективная частица для передачи и обработки данных на квантовом уровне. Надежда состоит в том, что фотоны могут быть использованы для переброса квантовых бит информации, кубитов, со скоростями намного быстрее, чем могут достичь современные вычислительные методы.
Это называется Linear Optical Quantum Computing (LOQC) - и все ближе к революционизированию обработки данных.
Визуальное представление фотона. Изображение предоставлено М. Беллини / National Inst. оптики
Однако работать с фотонами может быть сложно. Но израильские исследователи считают, что они нашли устойчивый метод размещения одного источника фотонов на чипе и направления излучаемых фотонов в управляемый угол расхождения, при температуре окружающей среды.
Управление фотонами
Во-первых, фотоны трудно направить. Некоторые источники испускают фотоны в нескольких направлениях, что существенно затрудняет их ловушку. В прошлом исследователи смогли захватить эти фотоны, используя оптические системы сбора. Однако эти системы слишком велики для установки на один чип.
Команда еврейского университета в Иерусалиме, похоже, нашла способ преодолеть эту конкретную трудность, используя сравнительно простую методологию: они решили направить фотоны с помощью антенн.
Разумеется, эти антенны являются наноразмерными.
Наноантенна (слева) излучает фотоны в предсказуемом направлении. Изображение предоставлено ACS Publications
Антенны показали, что они способны направлять фотоны с чрезвычайно низким углом расхождения. В принципе, антенны позволяют превзойти фотоны в предсказуемый путь, более предсказуемый, чем когда-либо ранее.
Гибрид нанокристаллов и антенн
Исследователи объединили использование наномасштабных антенн с нанокристаллами.
Нанокристаллы известны как коллоидные нанокристаллы и способны эффективно излучать фотоны при комнатной температуре. Некоторые проблемы с использованием коллоидных нанокристаллов объясняются тем, что они часто включают присутствие высокотоксичных тяжелых металлов, таких как свинец и кадмий.
Нанокристаллы излучают фотоны, а антенны фокусируют свой путь так, чтобы их можно было собрать.
Хорошей новостью является то, что эти антенны изготовлены из металлических и диэлектрических слоев, которые могут быть изготовлены с использованием промышленных технологий.
Сбор фотонов при температурах окружающей среды
Еще одна трудность сбора фотонов заключается в том, что сверхпроводящие материалы должны быть сверхохлаждаемыми для правильной работы.
Одна из проблем, стоящих перед крупномасштабными исследованиями в области квантовых вычислений, заключается в том, что охлаждение сверхпроводников до достаточно низких температур требует специальных инструментов и ресурсов. Использование жидкого гелия распространено, но дорого.
Это конкретное препятствие на один шаг ближе к преодолению, поскольку исследователи работают над тем, чтобы направлять эти отдельные частицы фотонов упорядоченным образом при температуре окружающей среды. Подход нанокристаллической антенны не сталкивается с теми же проблемами и поэтому не требует использования жидкого гелия в качестве охлаждающего агента.
Доктор Ронен Рапапорт в своей лаборатории. Изображение предоставлено компанией Rapaport Group
Долгосрочная цель этой технологии, согласно Rapaport, заключалась бы в том, чтобы некоторые из этих нанокристаллических / наноантенных устройств были на одном кристалле, где фотоны затем могли быть направлены непосредственно в оптические волокна.