Однофотонные транзисторы смогут обрабатывать до 10 млрд кубитов в секунду

Современное «железо» позволяет создавать мощные тонкие ноутбуки, смартфоны, гарнитуры дополненной реальности и даже суперкомпьютеры. Но существующее оборудование не адаптировано для квантовых устройств. Проблема заключается в носителях квантовой информации — кубитах, которые подчиняются законам квантовой физики.

Как пишет Science Daily, ученые давно пытаются создать квантовый транзистор, в котором роль кубитов выполняют фотоны, но для этого фотоны нужно научить взаимодействовать друг с другом. 

К решению проблемы подобрались физики из Мэрилендского университета в Колледж-Парке. В своей работе, опубликованной в журнале Science, они представили метод создания однофотонного транзистора на базе полупроводника.

В одной крупинке соли уместится до миллиона таких транзисторов, а с их помощью можно будет обрабатывать до 10 млрд фотонных кубитов в секунду.

Ученые собрали фотонный чип на основе полупроводника, прошитого многочисленными отверстиями. Чип похож на пчелиные соты, поэтому свет при попадании на устройство отскакивает и удерживается внутри за счет дырчатой структуры. В участке с наибольшей интенсивностью света располагается квантовая точка, которая сохраняет информацию о фотонах всякий как раз, как они попадают в устройство. Функция памяти позволяет точке выступать посредником между фотонами. Таким образом, активность одного фотона влияет на другой, последующий фотон. 

Чтобы протестировать возможности транзистора, физики проверили, как устройство будет реагировать на слабые световые импульсы, которые обычно содержат не более одного фотона. В обычных условиях импульсы оказываются настолько тусклыми, что их практически не удается зафиксировать. Однако созданный учеными транзистор удерживал фотон на долгий промежуток времени, так что его присутствие отражалось в ближайшей квантовой точке.

Исследователи пришли к выводу, что один фотон, взаимодействуя с точкой, контролирует прохождение второго светового импульса сквозь устройство. Подобная конфигурация создает «квантовые ворота» между фотонами. Первый световой импульс выполняет роль ключа, который открывает дверь второму фотону. Если первый импульс не содержит фотонов, то квантовая точка блокирует вход всем последующим фотонам.

По такому же принципу работает и обычный транзистор, в котором небольшое напряжение обеспечивает прохождение тока через выводы транзистора. В данном случае ученые заменили напряжение единственным фотоном.

Технология позволит объединять несколько квантовых фотонных транзисторов воедино. Благодаря этому можно будет обрабатывать большое количество фотонных кубитов и создавать мощные квантовые компьютеры.

Недавно группа физиков из Научно-технического университета Китая первой в мире добилась квантовой запутанности с 18 кубитами. Прошлый рекорд составлял 10 кубитов и принадлежал той же группе ученых.