Ученые демонстрируют однофотонный транзистор для квантовых вычислений
Очистка пути для квантового света
Исследователи из Университета штата Мэриленд демонстрируют первый однофотонный транзистор с использованием полупроводниковой микросхемы
Транзисторы – это крошечные коммутаторы, которые формируют основу современных вычислений; например, миллиарды из них маршрутизируют электрические сигналы внутри смартфона.
Квантовые компьютеры нуждаются в аналогичном аппаратном обеспечении для манипулирования квантовой информацией. Но конструктивные ограничения для этой новой технологии строгие, а современные передовые процессоры не могут быть перепрофилированы как квантовые устройства. Это потому, что квантовые носители информации, получившие название кубитов, должны следовать различным правилам, изложенным в квантовой физике.
Учёные могут использовать многие виды квантовых частиц как кубиты – даже фотоны, которые составляют свет. Фотоны добавляют апелляцию, потому что они могут быстро передавать информацию на большие расстояния, плюс они совместимы с изготовленными чипами. Однако создание квантового транзистора, вызванного светом, пока неосуществимо, потому что оно требует взаимодействия фотонов друг с другом, что обычно не происходит само по себе.
Теперь исследователи из Университета Мэрилендской школы инженеров Джеймса Кларка и Института совместных квантов (JQI) под руководством профессором электротехники и вычислительной техники, научным сотрудником JQI и Институтом исследований в области электроники и прикладной физики Affiliate Эдо Вакс, преодолели это препятствие и продемонстрировали первый однофотонный транзистор с использованием полупроводниковой микросхемы.
Устройство весьма компактно: примерно один миллион из этих новых транзисторов мог вписаться в одно зерно соли. Он также быстр и способен обрабатывать чуть ли не десять миллиардов фотонных кубитов каждую секунду.
– Используя наш транзистор, мы получаем возможность выполнять квантовые затворы между фотонами, – сообщает Вакс. – Программное обеспечение, работающее на квантовом компьютере, будет использовать ряд таких операций для достижения экспоненциального ускорения определённых вычислительных задач.
Фотонный чип сделан из полупроводника с многочисленными отверстиями в нём, что делает его похожим на соты. Свет, входящий в чип, отскакивает и попадает в ловушку отверстия; маленький кристалл, называемый квантовой точкой, находится внутри области, где интенсивность света сильней.
Аналогично обычной памяти компьютера, точка хранит информацию о фотонах при входе в устройство. Она может эффективно входить в эту память, чтобы опосредовать взаимодействия фотонов, а это означает, что действия одного фотона влияют на других, которые позже попадают на этот чип.
– В однофотонном транзисторе память квантовых точек должна сохраняться достаточно долго, чтобы взаимодействовать с каждым фотонным кубитом, – говорит Шуо Сун, ведущий автор новой работы и постдокторский исследователь из Стэнфордского университета, который в то время был аспирантом UMD исследования. – Это позволяет одному фотону переключать больший поток фотонов, что необходимо для того, чтобы наше устройство считалось транзистором.
Чтобы проверить, что чип работает как транзистор, исследователи посмотрели, как устройство реагирует на слабые световые импульсы, которые обычно содержат только один фотон. В нормальных условиях такой тусклый свет едва регистрируется. Однако в этом устройстве один фотон долгое время попадает в ловушку, регистрируя его присутствие в соседней точке.
Команда исследователей заметила, что один фотон, взаимодействуя с точкой, может управлять передачей второго светового импульса через устройство. Первый световой импульс действует как ключ, открывая дверь для второго фотона, чтобы войти в чип. Если первый импульс не содержал фотонов, точка блокировала последующие фотоны.
Такое поведение аналогично обычному транзистору, где небольшое напряжение контролирует прохождение тока через его клеммы. Здесь исследователи успешно заменили напряжение на один фотон и продемонстрировали, что их квантовый транзистор
может переключать световой импульс, содержащий около тридцати фотонов, до того, как память квантовой точки закончится.
Вакс добавил, что команда должна была проверить различные аспекты работы устройства до того, как заработал транзистор:
– До сих пор у нас были лишь отдельные компоненты, необходимые для создания одного фотонного транзистора, но здесь мы объединили все шаги в один чип, – объясняет он.
Сун говорит, что с реалистичными инженерными усовершенствованиями их подход может позволить связать многие квантовые транзисторы. Команда надеется, что такие быстродействующие, сильно подключенные устройства в конечном итоге приведут к созданию компактных квантовых компьютеров, которые обрабатывают большое количество фотонных кубитов.
