Сергей Доронин - Квантовая магия
Этот эффект связан с диффузией света. О диффузии, наверное, слышали все — это и распространение запахов по комнате (диффузия молекул в газе), и теплопроводность (диффузия тепла) в твердом теле, и электрический ток в проводнике (диффузия электронов под действием внешней силы). Обычно речь идет о диффузии частиц, но прохождение волн через среду также можно рассматривать как диффузию. У света, как у волны, есть специфическая особенность — интерференция, за счет которой диффузия может измениться. Свет может «сбиться с дороги» и надолго застрять внутри среды, крутясь по замкнутым орбитам в поисках выхода.
Если пустить луч света сквозь среду с беспорядочно распределенным коэффициентом преломления, то отдельные кванты света, фотоны, будут хаотично отражаться и преломляться в поисках выхода, то есть будет происходить диффузия света. Чтобы заметить описанный выше эффект, надо приготовить такую среду, в которой распределение коэффициента преломления было бы как можно более хаотичным (иными словами, чтобы длина свободного пробега от столкновения до столкновения не превышала длины волны света), но чтобы при этом не было поглощения. Именно это и смогли сделать немецкие физики. Они выяснили, что для изучения диффузии фотонов прекрасно подходит пигмент, использующийся во многих доступных в продаже белых красках. Этот пигмент состоит из микроскопических частичек TiO2 (диоксида титана) и в целом действует на свет как среда практически без поглощения, но с высоким и беспорядочно распределенным в пространстве коэффициентом преломления.
Эксперимент заключался в следующем: на спрессованный образец пигмента падал короткий импульс света, а затем отслеживалось, на какое время свет «застревает» в этом материале. Для крупнозернистых образцов распределение времен диффузии достаточно хорошо описывалось формулой для диффузии частиц. Однако, исследуя самый мелкозернистый образец, экспериментаторы заметили, что небольшая доля всех фотонов выходила из образца спустя необычно долгое время.
Авторы провели серию проверочных экспериментов и доказали, что этот эффект может быть связан только с влиянием интерференции на диффузию волн. Эти запоздавшие фотоны долго крутились внутри образца по замкнутым орбитам, прежде чем выйти из среды. Как предполагают ученые, если теперь изготовить вещество с еще более мелкими зернами диоксида титана, то, возможно, удастся достичь и эффекта полной локализации, при котором фотоны уже не выходят наружу.
4.3. Квантовая шина
Еще одно необходимое устройство для квантового компьютера — квантовая шина для обмена информацией. Об этом также можно прочитать в Интернете[126]:
«„Виртуальная шина“, по которой курсируют биты информации, может стать краеугольным камнем в архитектуре квантовых компьютеров», — заявляют ученые из американского Национального Института стандартов и технологий (NIST). Но, как ученые замечают далее, он должен еще быть разработан, что не входит на сегодняшний день в планы большинства компаний. По словам физика-атомщика NIST Карла Уильямса (Carl Williams), несколько авторов описали базовые требования для построения масштабируемых квантовых компьютеров, включая необходимость взаимодействия произвольных пар кубитов. Отработка четкого механизма этого взаимодействия является, однако, нерешенной проблемой. По словам коллег Уильямса, их подход состоит в том, чтобы делить физические кубиты на статические зоны, сохраняющие квантовую память, и динамическую шину для кубитной связи зон. Как известно, основы современной архитектуры ПК были заложены в работах венгерского математика фон Неймана в 1945 году. Классическая модель состоит из 4 основных компонентов: памяти, системы ввода/вывода, логического блока и блока управления; для их связи используются физические шины, по которым пересылаются биты информации от одного модуля к другому. В отличие от физической, предлагаемая квантовая шина, как отмечает эксперт Национальной лаборатории в Лос-Аламосе Мэни Нилл (Manny Knill), является «виртуальной, которую лучше представлять как виртуальную локальную сеть соединений для масштабной параллельной архитектуры квантовых компьютеров». По мнению Нилла, Уильямс с коллегами первыми предложили детально разработанные стратегии для применения квантовой шины в стандартных массивах кубитов конкретно для того, чтобы использовать их в квантовых компьютерах. В работающем компьютере ни один кубит не обособлен. Кубиты памяти должны взаимодействовать друг с другом, а также с блоками логики, управления и ввода/вывода. Для облегчения связи другие ученые предлагают вместо квантовой шины «летающие» кубиты, парящие внутри компьютера и сближающиеся для обмена информацией. Модель превращения материальных кубитов в «летающие», являющиеся чаще всего фотонами, может быть еще одним возможным решением проблемы. Однако разработка необходимого соединения между веществом и фотонами, или стационарными и «летающими» кубитами, сопряжена со многими трудностями. Концепция шины обходится без сцепки между «летающими» и стационарными кубитами. Как отмечает г-н Нилл, исследования квантовых шин важны потому, что квантовые компьютеры в обозримом будущем должны обладать масштабируемым параллелизмом. И далее подчеркивает: «В будущем физическое или виртуальное соединение будет необходимо для всех архитектур квантового компьютера».
В последнее время экспериментаторы начали восполнять этот пробел и интенсивно работают над квантовой шиной. «Летающие» кубиты стали объектом исследований во многих физических лабораториях. В 2004–2005 годах только в одном Nature публикации с результатами экспериментальных работ в этом направлении составляли уже довольно внушительный список[127], в который нужно добавить все работы по квантовой памяти, поскольку процессы хранения и передачи квантовой информации неразрывно связаны.
Последние три статьи из этого списка опубликованы в одном номере Nature (8 декабря 2005 года). В первой из них говорилось о методике создания запутанного состояния между двумя пространственно разнесенными объектами. Ее авторы сообщали о запутывании двух систем, состоящих из порядка 105 атомов, удаленных друг от друга на 2,8 м. В двух других статьях описывался реализованный на практике процесс передачи квантовой информации от одного атомного ансамбля к другому посредством фотонных кубитов. Причем исследователи осуществили всю цепочку операций, необходимых для устойчивой квантовой связи. А именно — управляемую генерацию единичного фотона в одном узле (в ансамбле атомов рубидия); пересылку по оптоволокну на 100 мк другому узлу, где квантовая информация некоторое время хранилась в коллективном нелокальном состоянии, а затем она была вновь восстановлена в виде фотона без существенной потери квантовой информации. По существу была создана примитивная квантовая сеть между двумя разнесенными узлами. Предполагается, что такие квантовые сети постепенно придут на смену классическим. Информация, которую мы получаем сейчас по Интернету, доходит до нас по оптическим волокнам закодированной в сантиметровые лазерные импульсы. Все идет к тому, что эту информацию вскоре научатся передавать не в виде обычных битов, а в квантовой форме — посредством кубитов. Таким образом, физики продемонстрировали возможность телепортации состояния на длинные расстояния, и, следовательно, квантовые сети посредством телепортации могут связать нелокальными корреляциями удаленные узлы в единое целое.
В начале 2006 года в Phys. Rev. Lett., также в одном номере[128], были опубликованы две статьи об экспериментальных работах, продолжающих эти исследования. Но в них основной упор делается уже на технические детали — такие, как выбор оптимальной длины волны единичных фотонов, подходящей для коммуникации на больших расстояниях: в первой работе использовалась длина волны 1,5 микрон, во второй 0,78 микрон.
Таким образом, «летающие» или курсирующие по оптоволокну кубиты постепенно становятся обыденной реальностью, и их создание уже не считается большим научным достижением.
В этой области делаются также первые шаги к промышленным технологиям. Ученые из Кембриджа (Великобритания) экспериментально продемонстрировали[129] возможность получения запутанных фотонных пар при помощи простых полупроводниковых светодиодов. Эти запутанные пары могут применяться, в том числе, и в схемах квантовой коммуникации, курсируя по квантовым шинам и связывая нелокальными корреляциями отдельные узлы. Как пишут авторы, такая генерация запутанных пар «по требованию» обладает существенными преимуществами перед другими способами их получения и может найти широкое применение в различных квантово-информационных устройствах.
