Foton wyłącza światło

[KopalniaWiedzy.pl 357]

Z najnowszego numeru Science dowiadujemy się, że badacze z MIT-u, Uniwersytetu Harvarda oraz Wiedeńskiego Uniwersytetu Technologicznego skonstruowali optyczny przełącznik kontrolowany przez pojedynczy foton. Jeszcze kilkanaście miesięcy temu pisaliśmy, że z idealną sytuacją mielibyśmy do czynienia, gdyby za pomocą jednego fotonu udało się sterowac przepływem światła. Teraz ta idealna sytuacja staje się rzeczywistością.

Zbudowany właśnie przełącznik jest odpowiednikiem elektronicznego tranzystora, a zatem może stać się podstawowym elementem optycznych układów obliczeniowych. Taki przełącznik może też przyczynić się do powstania komputerów kwantowych.

Wspomniany przełącznik zbudowany jest z dwóch luster. Gdy przełącznik jest włączony sygnał (światło) przechodzi przez oba lustra. Gdy zostaje wyłączony przez przełącznik może przedostać się tylko około 20% sygnału. Dwa lustra działają jak optyczny rezonator. Profesor Vladan Vuletić z MIT-u wyjaśnia, że gdybyśmy mieli jedno lustro, światło by się odbiło i wróciło. Gdy użyjemy dwóch luster, dzieje się coś bardzo dziwnego.

Światło, jak pamiętamy, można rozpatrywać zarówno jako zbiór cząstek (fotonów) jak i falę - pole elektromagnetyczne. Pierwsze lustro zatrzyma cząstki, ale nie zatrzyma fali. Pole elektromagnetyczne znajdzie się pomiędzy lustrami. Wówczas, jeśli odległość pomiędzy lustrami zostanie dobrana odpowiednio do długości fali światła, w rezonatorze utworzy się pole na tyle silne, że zniweluje odbite powracające pole i będzie poruszało się naprzód. Lustra staną się zatem przezroczyste dla fali o odpowiedniej długości.

W rezonatorze zbudowanego właśnie przełącznika umieszczono schłodzone do bardzo niskiej temperatury atomy cezu. Zwykle atomy takie nie wpływają na światło przechodzące przez lustra. Jeśli jednak w chmurę atomów wystrzelimy pod odpowiednim kątem pojedynczy foton tak, by wybił on pojedynczy elektron z jednego atomu cezu na wyższy poziom energetyczny, dochodzi do zmian właściwości fizycznych całego rezonatora i przestaje on przepuszczać światło. Oczywiście, jak zastrzegają twórcy przełącznika, w klasycznych komputerach wykorzystanie chmury bardzo zimnego cezu nie byłoby praktyczne. Ich koncepcja jest w tym przypadku jedynie laboratoryjnym dowodem na możliwość wykonania takiego przełącznika, a w praktyce cez można by zastąpić jakimś ciałem stałym z celowo wprowadzonymi zanieczyszczeniami.

Przełącznik jest znacznie bardziej obiecujący w zastosowaniach kwantowych. Ich podstawą jest superpozycja, czyli zdolność kwantowego bitu, kubitu, do jednoczesnego przyjmowania wartości 0 i 1. Dotychczas prymitywne klasyczne "komputery kwantowe" tworzy się z jonów złapanych w pułapki. W tym wypadku trudno jednak jest zachować superpozycję. Znacznie lepiej przechowuje się ona w fotonach, ale - dotychczas - głównym problemem były trudności ze zmuszeniem fotonów do interakcji.

Teraz sytuacja uległa zmianie. Skoro za pomocą pojedynczego fotonu wysłanego do przełącznika można przełącznik wyłączyć, to, przy dodaniu do tego superpozycji początkowego fotonu, który trafia w chmurę atomów i w nią nie trafia, to uzyskamy superpozycję sygnału optycznego, który może przez nią przechodzić i być odbijanym, mówi Vuletić.

Twórcy przełącznika przypominają, że jednym z pierwszych praktycznych zastosowań tranzystora elektronicznego było odfiltrowanie szumu sygnału elektrycznego poprzez jego wysłanie z powrotem do tranzystora. Można by zatem odfiltrowywać szum kwantowy i uzyskać stany kwantowe niemożliwe do uzyskania w inny sposób. Przełącznik mógłby działać też jak wykrywacz fotonów. Gdy foton uderza w gaz, powoduje, że światło nie jest w stanie przezeń przejść. Byłby to pierwszy wykrywacz fotonów, który nie niszczy zarejestrowanego przez siebie fotonu.

Zużycie energii jest poważnym problemem w systemach obliczeniowych. Piękno tego podejścia polega na tym, że rzeczywiście przełącznik działa dzięki pojedynczemu fotonowi, straty energii są zatem bardzo małe. Na każdy bit nie trzeba zużywać wiele energii, gdyż bit jest zawarty w samym fotonie - mówi profesor Jelena Vukovic z Uniwersytetu Stanforda. Jej zdaniem nie powinno być większych problemów ze skonstruowaniem praktycznego przełącznika. Podstawy są takie same, po prostu zamiast używać superzimnych atomów trzeba użyć mikroskopijnego zagłębienia w półprzewodniku i kwantowej kropki spełniającej rolę sztucznego atomu - stwierdza uczona.