Создан полностью оптический коммутатор, переключение состояний которого может осуществляться единственным фотоном. Разработка открывает новые горизонты как для квантовых, так и для классических вычислительных систем.

Единственный фотон, инициирующий переход электрона в атоме цезия на более высокий энергетический уровень, меняет свойства системы: оптический резонатор перестает пропускать свет той длины волны, на которой идет сигнал.
Владан Вулетич (Vladan Vuletic), руководитель группы исследователей

Оптические вычисления, осуществляемые с помощью света, а не электрических сигналов, могут ускорить работу не только квантовых, но и классических компьютеров. Но для этого необходимо заставить фотоны каким-то образом влиять на поведение друг друга. Обычно они не склонны взаимодействовать между собой: при встрече двух фотонов в вакууме они просто проходят один сквозь другой.

В новом выпуске журнала Science исследователи из MIT описали способ практической реализации оптического коммутатора, управляемого с помощью единственного фотона: свет регулирует пропускание света. Фактически это оптический аналог транзистора, основного компонента вычислительных схем. В состоянии «1» луч беспрепятственно проходит сквозь установку, а в состоянии «0» она пропускает только 20% света.

Главный компонент «оптического транзистора», разработанного в MIT, — пара зеркал с высокой отражающей способностью. Она играет роль оптического резонатора, который может стать прозрачным для света с определенной длиной волны, если правильно откалибровать расстояние между зеркалами.

Пространство между зеркалами было заполнено сверххолодными атомами цезия, которые обычно не взаимодействуют со светом и не мешают ему проходить сквозь резонатор. Но достаточно единственного «запирающего фотона», влетевшего между зеркалами под другим углом (по сравнению с лучом-сигналом), который «выбивает» электрон в одном из атомов цезия на более высокий энергетический уровень, чтобы оптические свойства резонатора кардинально изменились: свет больше не сможет пройти сквозь него.

Конечно, трудно представить себе облака сверххолодных атомов внутри веб-сервера. С точки зрения классических вычислений такой оптический коммутатор — лишь демонстрация принципа, по которому может быть реализовано подобное устройство. На практике можно попытаться создать «оптические транзисторы» на основе «посторонних» атомов в оптоволокне или квантовых точек в микрополостях полупроводника.

Однако современные квантовые суперкомпьютеры, работающие при температурах, близких к абсолютному нулю, вполне могут использовать такие коммутаторы. Поскольку свойства оптического резонатора зависят от того, появляется ли «запирающий» фотон, «живущий» по законам квантовой механики, коммутатор может находиться не только в состоянии «0» или «1», но и в их суперпозиции.

Также устройство, разработанное в MIT, может быт использовано в качестве детектора фотонов.

По сообщению MIT News