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

Физики из Чикагского университета изобрели «квантовую флейту», которая, подобно Крысолову, может заставить частицы света двигаться вместе так, как никогда раньше. Описанный в двух исследованиях, опубликованных в журналах 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 нельзя увидеть в природе.

Ученые из лаборатории профессора Дэвида Шустера работали над квантовыми битами — квантовым эквивалентом компьютерного бита, — которые используют странные свойства частиц на атомном и субатомном уровне, чтобы делать вещи, которые иначе были бы 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 отверстий со смещением, подобных отверстиям в канавке.

«Точно так же, как в музыкальном инструменте, — сказал Шустер, — вы можете посылать фотоны одной или нескольких длин волн через все это, и каждая длина волны создает «ноту», которую можно использовать для кодирования квантовой информации». Затем исследователи могут контролировать взаимодействие «заметок», используя главный квантовый бит, сверхпроводящую электрическую цепь.

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

В природе фотоны почти никогда не взаимодействуют — они просто проходят друг через друга. При тщательной подготовке ученые иногда могут заставить два фотона реагировать 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, они внезапно начинают разговаривать друг с другом».

Крайне странно иметь так много фотонов, «разговаривающих» друг с другом в лабораторном эксперименте, это похоже на кошку, идущую на задних лапах.

«Обычно большинство взаимодействий частиц происходят один на один — две частицы отскакивают или притягиваются друг к другу», — сказал Шустер. «Если вы добавите третью, они обычно будут последовательно взаимодействовать друг с другом. Но в этой системе все они взаимодействуют одновременно».

Их эксперименты проверяли только до пяти «заметок» одновременно, но ученые могли в конечном итоге представить, что сотни или тысячи заметок проходят через один кубит, чтобы контролировать их. С такой сложной операцией, как квантовый компьютер, инженеры хотят упростить везде, где только можно, сказал Шустер: «Если бы вы хотели построить квантовый компьютер с 1000 битами и могли бы управлять всеми ими 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 полезным для моделирования сложных физических явлений, которые даже нельзя увидеть здесь, на Земле, включая, возможно, даже некоторые аспекты физики черных дыр.

«Обычно квантовые взаимодействия происходят в масштабах длины и времени, которые слишком малы или быстры, чтобы их можно было увидеть. В нашей системе мы можем измерять отдельные фотоны в любой из наших заметок и наблюдать за эффектом взаимодействия по мере его возникновения. увидеть квантовое взаимодействие с вашим глазом», — сказал научный сотрудник Чикагского университета Шриватсан Чакрам, соавтор статьи, а ныне доцент Университета Рутгерса.