Научный подход автор: shotlandec | 21-02-2010, 09:44

Два фотона впервые отправились на квантовую прогулку

2

Несколько дней назад команда учёных из Великобритании, Японии, Израиля и Нидерландов провела опыт со специфическим поведением пары фотонов, которое ранее лишь предсказывалось теорией. Прорыв в фотонике обещает открыть новое направление в квантовых компьютерах, которые могли бы выполнять моделирование очень сложных биологических, химических и физических систем.Квантовая прогулка или квантовое блуждание (quantum walk) — это интересный эффект, порождаемый особенностями квантовых частиц. В математике существует аналог – процесс случайного блуждания, и он поможет нам понять суть прогулки.Самый простой её пример – одномерный. Если взять за точку начала движения частицы 0, а шаг принять за 1, то в процессе такого блуждания объект будет смещаться на единицу влево или вправо, причём выбор того или иного направления – случаен.Как нетрудно увидеть, после двух шагов (словно мы подкинули монетку два раза) частица окажется либо в точке 2, либо в -2, либо вернётся к 0. На пятом шаге мы можем получить результат 5, -5, 3, -3, 1 и -1.В квантовом блуждании необходимо учесть, что частица, перемещающаяся, к примеру, по ветвящимся волноводам, до измерения находится в суперпозиции возможных своих состояний. Говоря упрощённо, направленный на светоделитель фотон будет двигаться «сразу по двум направлениям». А если дорожки сближены, должна происходить интерференция таких состояний.И совсем уже сложная картина получается, если на входе такого лабиринта по двум соседним волноводам было подано два фотона. Их взаимодействие будет влиять на вероятность попадания каждой из частиц в тот или иной выход сети.
Два фотона впервые отправились на квантовую прогулку

На этом графическом представлении одновременного квантового блуждания двух фотонов интенсивность свечения точек соответствует вероятности появления частиц в той или иной позиции. Две области повышенной вероятности – отличительная черта реализованного физиками процесса (иллюстрация University of Bristol).
Именно такой процесс организовали экспериментаторы, построив крошечный чип с волноводами (он и показан на фото под заголовком). Основной проблемой, как сообщает участник работы Джереми О´Брайен (Jeremy O´Brien) из Бристольского университета, стал вывод частиц через пачку оптоволоконных нитей к отдельным детекторам.Дело в том, что организовать соединение чипа с оптоволокном можно только в случае, если расстояние между соседними волноводами на выходе превышает 125 микрометров. Но на участке длиной около 700 микрометров волноводы сходились на дистанцию до 2,8 мкм. А развести их слишком резко было нельзя. Ведь радиус закругления волновода должен быть достаточно велик, чтобы частица отражалась от его стенок, не покидая свою тропку.По расчётам учёных, при использовании обычного для сердцевины волновода материала, диоксида кремния, минимальная длина участка с поворотами должна составлять несколько метров, а это уже был бы далеко не крошечный чип. Решить проблему удалось, создав волноводы из оксинитрида кремния. Большая разница в показателе преломления между такой сердцевиной и кремниевой оболочкой позволила сделать более крутые изгибы и уменьшить длину выходного участка лабиринта до нескольких миллиметров.
Два фотона впервые отправились на квантовую прогулку

Микрофотография «веера» волноводов с 21 выводом и тремя входами. Справа вверху: распределение света по выходам при запуске в чип лазерного излучения с длиной волны 810 нанометров. Справа внизу: моделирование распространения через массив одиночного фотона (иллюстрация Peruzzo et al.).
В решающем эксперименте принимали участие пары идентичных фотонов, для создания которых по стандартной методике спонтанного параметрического рассеяния учёные использовали лазер c длиной волны 402 нанометра и нелинейный кристалл бората висмута BiB3O6.Когда идентичные фотоны попали в систему волноводов, авторы опыта наблюдали ожидаемый эффект квантовой интерференции. Далее для сравнения физики попробовали чуть задержать поступление второй частицы. Картина на выходе стала соответствовать классической интерференции. (Детали – в статье в Science.)«Теперь, когда мы можем реализовать двухфотонную „квантовую прогулку“, самое время перейти к наблюдению за тремя и больше фотонами, – оптимистично заявляет О´Брайен в пресс-релизе Бристольского университета. – Каждый раз, когда мы добавляем фотон, сложность проблемы, которую мы можем решить, возрастает экспоненциально, то есть, условно говоря, однофотонная система такого рода может дать 10 результатов, двухфотонная – 100, трёхфотонная – 1000, и так далее».
Два фотона впервые отправились на квантовую прогулку

От Бристоля в исследовании также приняли участие Джонатан Мэтьюс (Jonathan Matthews), слева, и Костас Поулиос (Kostas Poulios). На врезке – Джереми.В постановке эксперимента британским новаторам помогали коллеги из университетов Тохоку (Tohoku University), Твента (University of Twente) и института Вайцмана (Weizmann Institute) (фото Dirk Dahmer, bristol.ac.uk).
Следует пояснить, что ранее квантовое случайное блуждание уже удавалось наблюдать на примере одиночных фотонов. Но, увы, результат однофотонной прогулки не отличается от того, что можно ожидать, описывая частицу как классическую световую волну, в 2003 году об этом опыте поведала статья (PDF-документ) в Physical Review A.Только в двухфотонной (и более) схеме начинают проявляться причуды мира квантовой механики. Они-то и позволяют, теоретически, закодировать огромную информацию в экспоненциально растущем пространстве состояний нескольких взаимодействующих частиц света. О´Брайен и его коллеги считают, что при неуклонном развитии данной технологии менее чем за десять лет появится компьютер, который сможет проводить вычисления, выходящие далеко за пределы возможностей классических машин.

3

Читайте так же:

10  

Статьи раздела Научный подход

Произведена масштабная квантовая телепортация

Произведена масштабная квантовая телепортацияЭксперимент по передаче квантового состояния фотонов в свободном пространстве на расстояние 16 километров успешно провели физики из научно-технического университета Китая (USTC) и университета Цинхуа (Tsinghua).

В нелинейных кристаллах впервые родились фотоны-тройняшки

В нелинейных кристаллах впервые родились фотоны-тройняшкиФизикам часто требуются фотоны, синхронизированные по фазе и времени. Получить даже пару таких частиц из разных источников почти невозможно. Однако двойни всё же изредка синтезируют. Теперь же объединённая команда учёных из Канады, Австрии и Австралии придумала, как преобразовать один фотон в тройню.

Физики проявили нелокальную природу реальности

Физики проявили нелокальную природу реальностиПереброска единичных фотонов по открытому воздуху на 144 километра может показаться причудой, но таким способом учёные пытаются решить одну из самых глубоких проблем фундаментальной физики, затрагивающей даже философию. Яркий опыт, результат которого опубликован только что, убедительно поддерживает квантовую механику и положение, гласящее, что реальность не может быть корректно описана в рамках классической физики.

Создана иллюзия сверхсветовых фотонов в наноматериалах

Создана иллюзия сверхсветовых фотонов в наноматериалахОбычно время путешествия света сквозь кусок какого-нибудь вещества линейно зависит от толщины преодолеваемого слоя и его показателя преломления. Но для наноматериалов это правило может нарушаться, и порой самым парадоксальным образом, что на опыте продемонстрировали специалисты из Объединённого института квантовой физики (Joint Quantum Institute — JQI).

Квантовый барабан застучал в такт с кубитом

Квантовый барабан застучал в такт с кубитомВ странном мире квантовой механики допускается, что крошечный объект может быть в двух местах одновременно. За век, прошедший с момента зарождения этой науки, квантовые эффекты наблюдали на примере электронов, фотонов, атомов и молекул. Однако для рукотворных механических объектов достоверных примеров учёные не получали – до сегодняшнего дня.

 (голосов: 0)

Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь. Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.
Информация

Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии в данной новости.

Это интересно
.
Последние новости

Уход за старой кошкой

Хозяева зачастую, в суете дней не улавливают того момента когда их кошка стареет и нуждается в большем уходе. Внешне поведение может совсем не измениться, но звоночком может послужить изменение его поведения: апатия, потеря аппетита, увеличение продолжительности сна.


Алхимия: из низшего в высшее

Некоторые ученые полагают, что само понятие «алхимия» ведет свою историю от греческого термина «хио», которое означает «изливать» или «лить металл», поскольку очень многое в алхимии связано с металлами, разнообразными способами их получения и обработки.


Кольцо в небе над Венесуэллой

Необычное явление наблюдалось 21 июня 2003 г. в 20 километрах к западу от Каракаса. В 6 часов вечера люди заметили в небе странное плотное облако, по форме отдаленно напоминающее чечевицу.


Кресло исполняет желания

Есть на планете места, где удивительным образом тайное становится явным, а мечты вдруг приобретают вполне осязаемые реальные черты.


Призрак короля

Невероятно таинственная история случилась в 1792 г. В период французского революционного переворота. Таинственный призрак, повлиявший на течение исторических событий, предотвратил назревавшее кровопролитие между французами и австрийско-прусской империей.


Человек произошел от скрещивания шимпанзе со свиньей

Даже по сей день диспуты о происхождении человека не утихают, а становятся все горячее. Генетик из Америки выдвинул новую гипотезу о происхождении человека. Разработал он ее в университете Джорджии со своими коллегами.


Город оплавленных камней

Прибрежные равнины Перу, окруженные высокогорьем Анд считаются самой протяженной горной цепью, которую называют остовом Южного континента Америки. Здесь в нагорной долине, окруженной неприступными скалами, зарождающяяся империя кечуа, заложила основу своего государства Куско.


Загадочные двойники
Американец Адриан Браун работает шофером в частной охранной фирме. Каждую ночь объезжает объекты строго по установленному маршруту.


Человек по своей природе крайне суеверный, оттуда и берутся многочисленные приметы и разные народные суеверия. Этих суеверий великое множество. Так одни из самых распространённых имеют тематику «потерял- нашел». 


Женское имя - Лариса. Тайна имени
Лариса - имя, имеющее латинские корни. В переводе означает «чайка». Как вольная птица, Лариса все старается взмыть повыше в небо, то и дело подвергая сомнению законы гравитации.


Мужское имя - Геннадий. Тайна имени
Геннадий (в буквальном переводе означает «родовитый») - имя имеющее древнегреческие корни. И действительно, Геннадии часто находятся под гнетом своей родословной. 


Космический телескоп Хаббла.

Прошедшее столетие далеко продвинуло человеческие познания в сфере исследования нашей Вселенной. Было сделано множество открытий с помощью сложных оптических телескопов, расположенных в высокогорных исследовательских обсерваториях.



Титан – металл для освоения космических пространств.

Бездна космических глубин начинается сразу же за тонкой оболочкой земной атмосферы. Наша Солнечная система выглядит совсем небольшой на фоне этой абсолютной пустоты.



Самая маленькая птица на Земле.
Радужная птичка колибри является самой маленькой птицей на Земле. Это прекрасное творение природы обитает на просторах Американского континента от Аляски до Огненной Земли. 


Интересные факты про насекомых.
Одним из самых необычных фактов о насекомых является то, что в отличие от людей, они не испытывают боли. Боль – это неприятное телесное и эмоциональное ощущение, которое связано с реальным или возможным повреждением тканей организма.

Популярные новости