Потенциальные преимущества квантовых технологий огромны. Теоретически они позволяют в течение секунды выполнять такие непростые задачи, как моделирование сложных химических процессов или анализ огромных объёмов информации – при нынешнем уровне технологий на это понадобятся годы.
Подпись к изображению: Схема установки для измерения квантовой интерференции с помощью чипа
Однако, реализовать на практике эти технологии не так просто. Например, квантовые системы, состоящие из одиночных атомов или одиночных фотонов, чрезвычайно хрупки и подвержены любым воздействиям окружающей среды – в том числе, электрическим, магнитным и тепловым. Поэтому важно обеспечить защиту систем от влияния окружающей среды. В то же время ими надо управлять. Сегодня это возможно делать в очень небольших масштабах, а такие факторы – как большие расходы и количество используемого оборудования — не позволяют контролировать несколько квантовых систем одновременно.
На пути к решению этой проблемы исследователи лаборатории профессора Хун Тана разработали нанотехнологический процесс создания кремниевого чипа, который содержит все компоненты, необходимые для квантовой обработки информации. Результаты их работы опубликованы в журнале Nature Communications.
Два основных требования к масштабируемому квантовому информационному процессору это квантовая интерференция (в которой фотон – может одновременно находиться в нескольких местах, пересекая свой путь) и однофотонные детекторы. Созданный в лаборатории чип содержит нанофотонный волновод, который может направлять свет в ограниченные пространства на микросхеме — туда, куда необходимо. Он также имеет световой ответвитель, который может разделять пучок света на два идентичных луча или, наоборот, объединять два луча в один выходной сигнал.
«Сегодня мы используем для контроля квантовой системы крошечный кремниевый чип, а раньше для этого требовалась целая комната оборудования, — говорит один из руководителей исследования Карстен Шук. — Чтобы манипулировать другой квантовой системой нужно была ещё одно помещение и деньги, чтобы купить для него оборудование. А теперь, если я хочу манипулировать другим фотоном, достаточно поставить дополнительную схему на тот же самый кремниевый чип, что займёт пару лишних секунд в процессе нанопроизводства».
Это исследование, говорит Шук, позволит реализовать программируемый оптический квантовый процессор, который может запускать квантовый алгоритм. Масштабируемость процедуры нанопроизводства кремниевых чипов обеспечит решение задач, являющихся сложными для классических компьютеров. Такая технология также может быть полезна и в других областях – как, например, в производстве чрезвычайно чувствительных датчиков или защищённых средств связи.