Квантовый интерфейс связал электроны и фотоны

Ученые разработали устройство, которое опосредует взаимодействие между фотонами и отдельными электронами. Это первый экспериментальный прототип квантового переключателя в кристалле, который может стать основой для разработки компьютерных квантовых сетей. Результаты работы были опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.

Оптоволокно играет важную роль в переносе большого количества информации на большие расстояния, однако до сих пор не было устройств, которые могли бы перенести информацию с квантовых чипов на фотоны.

Исследователи создали фотонный кристалл, который способен улавливать фотоны внутри микроскопических полостей. Эти полости представляют собой квантовые точки, где содержится простой электрон. Благодаря малому размеру полостей, на фотоны, которые попадают внутрь кристалла, начинают влиять квантовые эффекты со стороны электрона. Чтобы понять, как именно происходит взаимодействие между электронами и светом, ученые применили метод поляризационной интерферометрии.

Квантовая точка действовала, как оптический резонатор, который пропускал фотоны только с определенной поляризацией. Электрон внутри квантовой точки мог находиться в нескольких квантовых состояниях, обусловленных направлением спина. Ученые могли менять спин с помощью магнитного поля. Если спин находился в одном состоянии, то поляризованность фотона не менялась, однако при другом состоянии правая поляризация фотона сменялась на левую. Аналогично, правополяризованные фотоны могли менять спин квантовой точки.

В этой системе квантовая точка представляет собой квантовый вентиль — базовый логический элемент, который работает с кубитами, единицами хранения квантовой информации. С помощью фотонов, которые могут действовать, как переносчики информации, один кубит может изменить квантовое состояние другого кубита. Подобное устройство, уверены ученые, может стать основой для создания квантовых аналогов оптоволоконных сетей.

Квантовые сети позволяют переносить квантовую информацию между различными устройствами хранения квантовой информации. Для их создания может применяться оптоволоконный кабель, в котором переносчиками информации являются фотоны.