Ученые бредят квантовыми компьютерами уже несколько десятков лет — с тех пор, как появились первые теоретические работы, описывающие эти машины. Как следует из названия, передача информации и её хранение в таких устройствах должны осуществляться при помощи элементарных частиц или их систем, поведение которых описывается законами квантовой механики.
Квантовые компьютеры в один прекрасный день смогут с легкостью решать такие сложные задачи, как расчет конформации молекул биополимеров, или расшифровка закодированной информации, дающиеся современным суперкомпьютерам с большим трудом. Благодаря новым алгоритмам, базирующимся на способности квантовых битов информации (кубитов), находится не только в логическом состоянии «0» или «1», но и в любой их комбинации одновременно, суперкомпьютеры смогут в мгновение ока решать задачи, требующие от кремниевых монстров многих лет беспрерывных вычислений.
Однако квантовые компьютеры до сих пор не появились ни на прилавках магазинов, ни в научных лабораториях, ни на вооружении военных структур.
не существующее пока в реальности вычислительное устройство, использующее для работы принципы квантовой механики. По сути, в настоящее время квантовый компьютер существует лишь в качестве математической модели. Также разработаны модели и созданы некоторые примитивные прототипы отдельных его узлов.
Предполагается, что квантовый компьютер по своей вычислительной мощи будет значительно превосходить все классические компьютеры. Очень грубо упрощая, можно сказать, что в отличие от своего классического аналога, вычисления на котором нужно проводить отдельно для каждого варианта входных данных, мифический квантовый компьютер сможет вычислить результаты сразу для всех возможных для его архитектуры и программы входных данных.
Наибольшую популярность принес квантовому компьютеру разработанный для него американским математиком Питером Шором алгоритм разложения больших чисел на простые сомножители. Сейчас большинство систем защиты данных - например, банковских - основано на практической неразрешимости этой задачи в течение разумного промежутка времени. Квантовый компьютер смог бы выполнять эту задачу очень эффективно.
Существует даже конспирологическая теория, согласно которой интерес к квантовым компьютерам искусственно подогревается теми, кто нашел классический способ решения задачи факторизации, – чтобы отвлечь внимание математиков дабы они не повторили успех.
Исследователи полагают, что некая квантовая система связей, соединяющая большой массив атомов или их агломераций с помощью фотонных каналов, вполне может быть создана и использована в квантовых компьютерах.
Сложность организации передачи информации от атома к фотону в такой системе уже не носит фундаментальный характер, а является, скорее, инженерной задачей.
В связи с этим твердотельные системы каналов, проявляющих квантово-электродинамические эффекты, привлекают к себе все большее внимание со стороны исследователей: в перспективе именно они могут стать наиболее надежными масштабируемыми платформами для построения квантовых компьютеров. Наибольший прогресс пока наблюдается в системах наноразмерных каналов в фотонных кристаллах, изучаемых в совокупности с полупроводниковыми квантовыми точками.
С общей точки зрения фотонный кристалл является сверхрешеткой (crystal superlattice) - средой, в которой искусственно создано дополнительное поле с периодом, на порядки превышающим период основной решетки. Для фотонов такое поле получают периодическим изменением коэффициента преломления среды - в одном, двух или трех измерениях (1D-, 2D-, 3D-фотонные структуры соответственно). Если период оптической сверхрешетки сравним с длиной электромагнитной волны, то поведение фотонов кардинально отличается от их поведения в решетке обычного кристалла, узлы которого находятся друг от друга на расстоянии, много меньшем длины волны света. Поэтому такие решетки и получили особое название - фотонные кристаллы.
Понятие разрешенных и запрещенных энергетических зон - один из столпов твердотельной электроники. В оптике твердого тела схожее понятие появилось лишь в 1987 году, когда Эли Яблонович (Eli Yablonovitch), сотрудник Bell Communications Research (ныне профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе), ввел понятие запрещенной зоны для электромагнитных волн (electromagnetic band gap). Вскоре «фотонный кристалл» (photonic crystal) и «фотонная запрещенная зона» (photonic band gap, PBG) стали ключевыми терминами новейшего направления современной оптики.
Всем хорошо известные дифракционные решетки - это хороший пример 1D-фотонных структур: по аналогии с ними фотонные кристаллы называют иногда трехмерными дифракционными решетками. Распространение излучения в таких решетках определяется условием максимума интерференции света, рассеянного на узлах, и зависит от угла между направлением волнового вектора и осями дифракционной решетки - фотонного кристалла.
При рассеянии фотонов на 1D- и 2D-структурах всегда находятся такие направления распространения дифрагировавших лучей, для которых условие максимума интерференции выполнено. Для одномерного кристалла - нити, такие направления образуют конические поверхности, а в двумерном случае - совокупность отдельных, изолированных друг от друга лучей.
Трехмерный случай (в) принципиально отличается от одномерного и двумерного тем, что условие максимума интерференции для данной длины волны света может оказаться невыполнимым ни для одного из направлений в пространстве. Распространение фотонов с такими длинами волн в трехмерном кристалле невозможно, а соответствующие им энергии образуют запрещенные фотонные зоны.
Фотонные кристаллы предполагается использовать для создания оптических интегральных схем так же, как обычные полупроводники, металлы и диэлектрики используются для создания электронных интегральных схем.
hitec.nm.ru
В последнее время удалось наблюдать различные по своему характеру взаимодействия между этими наноразмерными объектами в ходе процессов фотолюминесценции. Например, если взаимодействие квантовая точка – фотонный канал ослабляется, изменяется продолжительность самого процесса излучения, а если усиливается — изменения касаются уже спектра пропускания канала.
Ранее уже были предложены варианты организации квантовых вычислительных систем, базирующиеся на прямом взаимодействии с парой квантовая точка — канал через рассеяние света на системе, находящихся в одном из режимов взаимодействия – сильном либо слабом. Однако никому прежде не удавалось провести данный эксперимент на твердотельных системах, наиболее удобных для применения в квантовых устройствах будущего.
Научной группе из Стэнфордского и Калифорнийского (Санта-Барбара) университетов под руководством Елены Вукович удалось показать, что взаимодействие квантовая точка – канал может быть организовано и изучено в твердотельных системах.
Кроме того, команда исследователей показала, что в соответствии с теоретическими моделями, взаимодействие с квантовой точкой приводит к изменению спектра пропускания и отражения фотонного канала.
Таким образом, ученым удалось добиться создания квантового «фотонного вентиля», способного пропускать фотоны в канал, или «запирать» их в определенном участке кристалла. Работа ученых представлена в свежем выпуске журнала Nature.
Как отмечает сама Вукович, квантовые эффекты, за которыми команда исследователей научилась наблюдать и которые в состоянии контролировать, уже наблюдались другими научными группами. Однако их объектами исследования были газообразные системы атомов, использование которых в технических устройствах затруднительно. Вукович и её коллегам впервые удалось продемонстрировать квантовые взаимодействия канал --квантовая точка в миниатюрной твердотельной системе.
фрагмент проводника или полупроводника, ограниченный по всем трём пространственным измерениям и содержащий электроны проводимости. Точка должна быть настолько малой, чтобы были существенны квантовые эффекты. Это достигается, если кинетическая энергия электрона E= h2/(2md2), обусловленная неопределённостью его импульса, будет заметно больше всех других энергетических масштабов: в первую очередь больше температуры, выраженной в энергетических единицах (d — характерный размер точки, m — эффективная масса электрона на точке, h – постоянная планка).
Квантовой точкой может служить любой достаточно маленький кусочек металла или полупроводника. Исторически первыми квантовыми точками, вероятно, были микрокристаллы селенида кадмия CdSe. Электрон в таком микрокристалле чувствует себя как электрон в трёхмерной потенциальной яме, он имеет много стационарных уровней энергии с характерным расстоянием между ними (точное выражение для уровней энергии зависит от формы точки).
Аналогично переходу между уровнями энергии отдельного атома, при переходе между энергетическими уровнями квантовой точки может излучаться фотон. Кроме того, как и атомы, квантовые точки могу проявлять явление люминесценции, когда часть электронов оказывается на очень высоких энергетических уровнях, а излучение системы происходит вследствие переходов электронов на более низких уровнях. При этом, в отличие от настоящих атомов, частотами переходов легко управлять, меняя размеры кристалла. Собственно, наблюдение люминесценции кристаллов селенида кадмия с частотой люминесценции определяемой размером кристалла и послужило первым наблюдением квантовых точек.
По материалам энциклопедий
Таким образом, ученые добились создания оптического переключателя, работа которого требует лишь одного фотона и одной квантовой точки.
Пара квантовая точка/ложбинка уже была использована в исследованиях ряда научных групп, однако эта работа является первой, в которой квантовые свойства системы были изучены и задействованы с помощью кванта света, а не с помощью косвенных методов.
Чипы, используемые в работе Вукович для создания системы зеркал и пары точка/канал, имеют много общего с теми чипами, что применяются в традиционной технологии полупроводников, что еще более приближает открытие к серийному производству — если не квантовых компьютеров, то, по меньшей мере, квантовых систем распределения и управления информационными потоками.
Следующий важный шаг, который намерены предпринять ученые, – это попытка направленного изменения свойств квантовой точки, как демонстрация возможности передачи информации по фотонному каналу и хранения её в виде определенного энергетического состояния точки или изменения её спина. Эта задача так же во многом является скорее инженерной или технологической, нежели фундаментально-научной, так что анклав фотонных кристаллов и квантовых точек может уже в недалеком будущем привести к созданию квантовых вычислительных систем.
Однако любителям компьютерных игр вряд ли стоит рассчитывать на покупку квантовых видеокарт и фотонных материнских плат в ближайшем торговом центре.
Системы с квантовыми алгоритмами вычислений, скорее всего, будут использоваться только для научных или военных целей из-за специфики задач, решаемых учеными. Численные методы моделирования при надлежащей постановке вычислений уже сейчас могут заменить ряд экспериментальных подходов, корректная постановка которых зачастую требует очень больших ресурсов. Военным же квантовые мозги пригодятся для создания и совершенствования глобальных систем наведения крылатых ракет, управления спутниками и так далее.
