Функционирование фотонного коммутатора основано на закономерностях нелинейной оптики
Эфраим Стейнберг: «Большинство теоретиков не могут знать, найдут ли их открытия какое-то практическое применение»

В далеком уже 1956 году трое американцев — Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Братейн — получили Нобелевскую премию в области физики за открытие, которое фактически положило начало информационной эре. Изучая эффект транзистора, они вовсе не предполагали, что их открытие способно изменить мир, а рассматривали его лишь как интересный физический феномен. Сегодня же теоретическими исследованиями в этой области занимаются тысячи физиков из самых разных стран. Некоторые исследовательские работы несомненно завершат свой путь в пыльных архивах, другие же, возможно, будут положены в основу будущих технологий, которые изменят всю нашу жизнь.

Физик Эфраим Стейнберг, работающий в университете Торонто, вместе со своими коллегами Кевином Решем и Джеффом Лундином занимается проектированием фотонного оптического коммутатора, которому отводится важная роль в перспективных квантовых компьютерах. Впрочем, как и другие инициативные исследования, эта работа может завершиться ничем.

«Большинство теоретиков не могут знать, найдут ли их открытия какое-то практическое применение», — заметил Стейнберг.

Как известно, в основу работы транзистора положено взаимодействие электронов. Если бы такого взаимодействия не существовало, не было бы ни транзисторов, ни микросхем, ни суперкомпьютеров. Но в мире квантовых вычислений чересчур активное взаимодействие поистине смерти подобно. Квантовая вычислительная среда должна быть полностью изолирована от окружающего мира. Только так можно сохранить неизменным состояние системы.

Фотонный коммутатор

Идея, лежащая в основе работы фотонного коммутатора, заключается в том, чтобы обеспечить столкновение фотонов, предотвратив тем самым их прохождение через кристалл. По существу, их требуется деактивировать.

Теоретически в этом не видится каких-то серьезных проблем. Но есть один момент, который необходимо учитывать. Фотоны не хотят взаимодействовать друг с другом. В мире атомов они существуют сами по себе. «Если направить на человека источник света, а затем подключить второй источник, внешний вид его не изменится, — пояснил Стейнберг. — Это линейная оптика — фотоны полностью независимы и не оказывают друг на друга никакого воздействия. Но для вычислительной техники в этом нет ничего хорошего. Хотелось бы, чтобы при добавлении второго фотона он уже знал о существовании первого».

В нелинейной оптике, которой, собственно, и занимается Стейнберг, между фотонами все же есть взаимодействие, но крайне незначительное. Частоты светового диапазона взаимосвязаны — частота излучения красного цвета равна примерно половине частоты излучения синего. Два «красных» фотона, столкнувшись, могут образовать один «синий». Но эти нелинейные свойства следует принимать во внимание, только если речь идет о потоках, включающих в себя миллиарды и миллиарды фотонов.

В то же время фотоны легко разрушаются при наличии мелких частиц или дефектов стекла. В отличие от современных компьютеров, для которых потеря электрона не имеет никакого значения, в квантовом мире это повлечет за собой катастрофу.

«Один утерянный фотон блокирует целую операцию, — пояснил Стейнберг. — Безусловно, здесь необходимо учитывать абсолютно все факторы».

Сегодня Стейнберг и его коллеги работают над тем, чтобы свести нелинейный эффект к взаимодействию между двумя фотонами. При помощи обычного лазера и набора фильтров они сокращают число фотонов до одного. Этого же результата можно добиться, применив небольшую хитрость. Фотоны хотя и независимы друг от друга, но все же чем-то напоминают школяров. Они похожи на них тем, что ведут себя точно так же, как и окружающие их фотоны. «Направляя синий луч на заднюю грань кристалла, мы говорим фотонам: вот тот маршрут, которым вам хотелось бы пройти, — заметил Стейнберг. — Следуйте за вожаком. В лабораторных условиях нам действительно удалось получить два фотона, сталкивающиеся друг с другом. Следовательно, в общем случае один луч можно использовать для разрушения другого».

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями