Ученые изобрели «квантовую флейту», которая может заставить частицы света двигаться вместе

Физики Чикагского университета изобрели «квантовую флейту», которая, подобно Крысолову, может заставить частицы света двигаться вместе невиданным ранее способом.

Описанный в двух исследованиях, опубликованных в Physical Review Letters и Nature Physics, прорыв может указать путь к реализации квантовой памяти или новых форм исправления ошибок в квантовых компьютерах, а также к наблюдению квантовых явлений, которые невозможно увидеть в природе.

Доц. Профессор Лаборатория Дэвида Шустера работает над квантовыми битами — квантовым эквивалентом компьютерного бита, — которые используют странные свойства частиц на атомном и субатомном уровне, чтобы делать вещи, которые иначе невозможны. В этом эксперименте они работали с частицами света, известными как фотоны, в микроволновом спектре.

Разработанная ими система состоит из длинной полости, выполненной в цельном металлическом блоке и предназначенной для улавливания фотонов на микроволновых частотах. Полость создается путем сверления смещенных отверстий, подобных отверстиям в канавке.

«Точно так же, как в музыкальном инструменте, — сказал Шустер, — вы можете посылать одну или несколько длин волн фотонов через все устройство, и каждая длина волны создает «ноту», которую можно использовать для кодирования квантовой информации». Затем исследователи могут управлять взаимодействием «нот», используя главный квантовый бит, сверхпроводящую электрическую цепь.

Но самым странным их открытием было то, как фотоны вели себя вместе.

В природе фотоны почти никогда не взаимодействуют — они просто проходят друг сквозь друга. При тщательной подготовке ученые иногда могут побудить два фотона отреагировать на присутствие друг друга.

«Здесь мы делаем нечто еще более странное», — сказал Шустер. «Сначала фотоны вообще не взаимодействуют, но когда общая энергия в системе достигает критической точки, внезапно все они начинают разговаривать друг с другом».

Иметь так много фотонов, «разговаривающих» друг с другом в лабораторном эксперименте, чрезвычайно странно, сродни тому, как видеть кошку, идущую на задних лапах.

«Обычно большинство взаимодействий частиц происходит один на один — две частицы отскакивают или притягивают друг друга», — сказал Шустер. «Если вы добавляете третий, они обычно все еще взаимодействуют последовательно с одним или другим. Но в этой системе все они взаимодействуют одновременно».

В их экспериментах одновременно проверялось только до пяти «нот», но в конечном итоге ученые могли представить, как пропускают сотни или тысячи нот через один кубит, чтобы управлять ими. С такой сложной операцией, как квантовый компьютер, инженеры хотят упростить все, что они могут, сказал Шустер: «Если бы вы хотели построить квантовый компьютер с 1000 битами, и вы могли бы управлять всеми ними с помощью одного бита, это было бы невероятно ценно».

Исследователи также в восторге от самого поведения. Никто не наблюдал ничего подобного этим взаимодействиям в природе, поэтому исследователи также надеются, что открытие может быть полезно для моделирования сложных физических явлений, которые даже невозможно увидеть здесь, на Земле, включая, возможно, даже некоторые физические явления черных дыр.

Кроме того, эксперименты — это просто развлечение.

«Обычно квантовые взаимодействия происходят в масштабах длины и времени, слишком малых или быстрых, чтобы их можно было увидеть. В нашей системе мы можем измерять одиночные фотоны в любой из наших заметок и наблюдать за эффектом взаимодействия по мере его возникновения. Это действительно очень удобно — «видеть» квантовое взаимодействие своим глазом», — сказал постдокторант UChicago Шривацан Чакрам, соавтор статьи, а ныне доцент Университета Ратгерса. https://phys.org/news/2022-07