Ученые продемонстрировали, что плазмонам свойственно явление квантовой интерференции, что открывает новые перспективы в области квантовых вычислений.
Плазмоны демонстрируют квантовые свойства фотонов
Направленный делитель из двух плазмонных волноводов в представлении художника

Квантовые компьютеры, которые, возможно, когда-нибудь заменят своих менее мощных и быстрых электронных собратьев, используют для хранения информации не биты, а кубиты. Один из подходов к квантовым вычислениям предполагает участие в этом процессе двух фотонов, взаимодействующих внутри волновода. Исследователи из Калифорнийского технологического института (США) показали, что другой тип квантовых частиц — поверхностные плазмоны — может послужить полезным дополнением к этой схеме.

Как можно догадаться из названия, поверхностные плазмоны существуют на поверхности. В данном случае речь идет о поверхности металла, граничащей с воздухом. Электроны в металлах, являющихся проводниками, могут свободно перемещаться, образуя на поверхности своего рода волны — коллективные колебания множества электронов. Эти волны принято считать квазичастицами, получившими название плазмонов. Плазмоны (кванты плазменных колебаний) во многом сродни фотонам (квантам электромагнитного излучения).

Джим Факонас, один из авторов работы, сравнивает поверхность металла с морем электронов, волны на котором и есть плазмоны.

Эти колебания особенно интересны тем, что происходят на оптических частотах, так что для инициации волны электронов порой достаточно света, упавшего на поверхность металла. Плазмоны, непосредственно взаимодействующие со светом, находят свое применение при создании фотоэлектрических систем, используемых для получения солнечной энергии, и, возможно, в будущем могут сыграть свою роль в квантовых вычислениях.

Необычное поведение плазмонов, которые в чем-то похожи на фотоны, а в чем-то — на электроны, довольно сложно описать. Теоретически, выполнить анализ этих волн можно с точки зрения квантовой механики, по аналогии с электромагнитными волнами (в том числе световыми). Однако до настоящего времени экспериментальных свидетельств, подтверждающих данную теорию, ученым явно не доставало.

Факонас и его коллеги решили исправить ситуацию. Они исследовали явление квантовой интерференции, характерное для фотонов, и показали, что плазмоны демонстрируют аналогичное поведение.

Методика эксперимента во многом напоминала опыты по обнаружению квантовой интерференции фотонов, в ходе которых используется светоделительный элемент с коэффициентами отражения и пропускания 50%. Он работает как полупрозрачное зеркало, пропуская одну половину падающего на него света и отражая другую. С классической точки зрения, попадающие на делитель фотоны с равной вероятностью могут оказаться как с одной, так и с другой его стороны. Но если речь идет о двух идентичных фотонах, выпущенных навстречу друг другу, на светоделителе они «слипаются» и выходят попарно с одной из сторон. Благодаря эффекту квантовой интерференции вероятность того, что оба фотона окажутся по разные стороны делителя, стремится к нулю.

Однако плазмоны — это не фотоны, и при работе с ними оптический делитель необходимо было заменить другим устройством. Его роль сыграл направленный делитель, состоящий из двух волноводов на поверхности крошечного кремниевого чипа площадью около 10 мкм². Поскольку плазмоны легко поглощаются окружающими материалами, волноводы были сделаны очень короткими. Функционально пара плазмонных волноводов была аналогична оптическому делителю для фотонов: плазмоны могли покинуть устройство по одному из двух возможных путей, каждый из которых находился под присмотром детектора. Если пара плазмонов выходила из волноводов вместе, активировался лишь один из двух детекторов. Эксперимент подтвердил, что плазмоны интерферируют, как и фотоны: идентичные квазичастицы покидают делитель попарно.

Также эксперимент подтвердил, что идентичные фотоны порождают идентичные плазмоны.

Плазмонные волноводы могут быть использованы в качестве компонентов вычислительных схем, работающих на основе явления квантовой интерференции.

По пресс-релизу Caltech