Электронный кубит, интегрированный в твердотельный ключ, превращает это устройство в квантовый переключатель - «Наука и технологии»

Квантовые биты, кубиты, являются основополагающими компонентами квантовых коммуникационных систем и квантовых компьютеров. В большинстве случаев в качестве кубита используют ион, атом определенного химического элемента, искусственно лишенный одного или большего количества электронов, который связан со свободным электроном. Этот свободный электрон и является носителем квантовой информации, закодированной в виде его спина, направления вращения. Подобно обычным двоичным битам, кубит может находиться в состоянии логической 1 или 0, но при определенных условиях он может находиться в состоянии суперпозиции, имея значения 1 и 0 одновременно.

Одной из основных проблем, с которой сталкиваются разработчики квантово-оптических систем, является обеспечение сильного взаимодействия фотонов света с кубитом, интегрированным в кристалл твердотельного полупроводникового устройства. А именно такие устройства могут использоваться в качестве электрооптических модуляторов, превращающих электрические сигналы в оптические сигналы, закодированные в квантовой характеристике фотонов света - в их поляризации.

Исследователи из университета Мэриленда разработали новый тип электронного кубита, который, "комбинирует технологии заманивания фотонов света в ловушку фотонного кристалла и заманивания электронов в ловушку на базе квантовой точки". Такая комбинация родилась из теории, определяющей, что наноразмерные фотонные впадины и волноводы могут использоваться для объединения фотонов света и электронов в районе электронного кубита в твердотельном устройстве. В результате комбинации двух различных технологий изменение фазы электрического сигнала приводит к изменению угла поляризации фотона. И происходит все это благодаря соприкосновению фотона с пойманным в ловушку электроном, имеющим определенное направление вращения.

Устройство, созданное исследователями из Мэриленда, представляет собой нечто вроде фотонного кристалла с оптической впадиной, в ловушку которой поймана квантовая точка, способная поглощать свет с определенными длинами волн. Изготовление устройства производится путем последовательного нанесения слоев разных полупроводниковых материалов. А конечным этапом, превращающим все это в фотонный кристалл с ловушкой, является создание в многослойной структуре сетки из крошечных отверстий.

В определенных местах сетки исследователи преднамеренно оставили материал нетронутым, что позволило получить своего рода искусственный дефект фотонного кристалла, который и выступает в роли оптической впадины. Геометрия этой впадины позволяет ей выступать в роли ловушки и источника фотонов света со строго определенными длинами волн, находящимися в данном случае в инфракрасном диапазоне.

В центр полученного дефекта, оптической впадины, была помещена квантовая точка, которая является чем-то вроде огромного искусственного атома. В данном случае исследователи использовали квантовые точки с единственным электроном, вращающимся вокруг нее.

Как только фотоны поглощенного впадиной света начинают взаимодействовать, то вращение электрона оказывает влияние на угол поляризации фотона. А вращение электрона само по себе регулируется достаточно просто при помощи приложенного извне магнитного поля. Кроме этого, в данном устройстве возможно проведение и обратного преобразования, можно установить определенное направление вращения электрона путем воздействия на квантовую точку короткими импульсами света с определенной поляризацией.

"Наше устройство имеет ряд преимуществ по отношению к другим подобным разработкам" - рассказывает Шуо Сун (Shuo Sun), один из исследователей, - "Электронный кубит интегрирован в структуру полупроводникового чипа, и все это можно изготовить при помощи уже существующих технологий. Кроме этого, взаимодействие между материей и светом происходит очень быстро, в течение триллионной доли секунды. И это в тысячу раз быстрее, чем быстродействие других подобных устройств".

Созданное исследователями устройство по принципу работы очень напоминает электронный транзистор. И в самом ближайшем времени исследователи собираются изготовить из таких квантовых "транзисторов" схемы, способные выполнять достаточно сложные операции обработки квантовой информации.