Учёные предложили способ повысить эффективность передачи фотонов в квантовых системах до 100%

Большинство современных квантовых систем — от квантовой криптографии до квантовых компьютеров — зависят от одного критически важного процесса: передачи фотонов между кубитами. Один кубит (например, атом) испускает фотон, другой его поглощает, обмениваясь информацией. Однако эта процедура работает далеко не идеально.

Почему теряются фотоны

При использовании традиционных методов вероятность того, что фотон действительно будет поглощен, составляет максимум 54%. Это означает, что почти в половине всех случаев фотон теряется. Причина кроется в форме самого фотона.

Как объясняет доктор Зейю Куанг из Института теоретической физики TU Wien, фотон нельзя представлять как крошечную частицу, просто выстреливаемую из кубита. «Фотон — это волна, и волна имеет определённую форму и протяжённость». Волна, создаваемая при испускании фотона кубитом, имеет характерную форму: в начале она очень выражена, а затем экспоненциально затухает — подобно звуковой волне от удара колокола молотком.

Проблема формы волны

Эта форма волны, которую можно назвать «пилообразной», плохо соответствует форме, которую второй кубит может поглотить наиболее эффективно. Гораздо лучше подошла бы волна, обратная по времени: та, которая постепенно нарастает и достигает максимума в конце. Это следует из принципа обратимости времени в квантовой механике.

Как отмечает Оливер Дикманн, при идеальных условиях квантовая динамика обратима. Если кубит идеально испускает фотон с определённой формой волны, то обратный по времени процесс показывает, какую форму волны этот кубит может идеально поглотить.

Решение через дисперсию

Команда TU Wien предложила решение, основанное на свойствах распространения света в волноводах. В вакууме свет всегда движется с одинаковой скоростью — скоростью света. Но в оптическом волноводе это не обязательно так: разные частотные компоненты волны движутся с разной скоростью. Это описывается так называемым соотношением дисперсии.

Исследователи предлагают поместить два кубита в волновод и спроектировать его дисперсионное соотношение таким образом, чтобы форма волны испущенного фотонного импульса точно обратилась во времени. Это должно обеспечить теоретическую вероятность поглощения в 100%.

Практическая осуществимость

Профессор Карлос Гонсалес-Балестеро поясняет: «Мы рассчитали, как этой цели можно достичь, и смоделировали процесс на компьютере. Наши результаты указывают на то, что требуемая установка должна быть технически осуществима». Этот пассивный подход не требует активного управления системой и мог бы значительно повысить эффективность многих квантовых технологий.

Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters. Это данные исследования, а не инженерная рекомендация.