První světelný router je na světě

03174773.jpeg

Vědci z izraelského Weizmannova institutu vyvinuli optickou analogii routeru či přepínacího tranzistoru. Nová součástka se vyznačuje absolutní kontrolou směrování jednotlivých fotonů a znamená velký příslib pro stavbu budoucích kvantových počítačů.

Fotonický router je součástka, pracující na kvantovém principu, jejímž jádrem je pouhý jeden atom. Tento atom na základě působení jednotlivých fotonů na vstupu může kontrolovaně měnit směr jiných jednotlivých fotonů, které do něj následně vstupují. Řídící atom tedy pracuje jako přepínač a díky působení ovládacích fotonů může zaujímat kontrolovaně dva různé stavy, podle toho, jestli ovládací foton přichází “zleva” nebo “zprava”. Díky tomuto přepnutí je pak následující procházející foton směrován různě podle toho, ze které strany přilétává.

Například v jednom stavu pracujícího atomu příslušný foton, přicházející zprava, pokračuje při kontaktu s řídícím atomem dále doleva. Pokud naopak foton přichází zleva, je atomem odražen do protisměru, načež se atom překlopí do druhého stavu. V tomto druhém atomárním stavu fotony, přicházející k atomu zleva, pokračují zase nerušeně doprava, zatímco fotony přilétávající zprava se odrazí doleva a atom se opět překlopí do stavu opačného. Router ke své činnosti nepotřebuje žádná další působení či silová pole, jen dopady jednotlivých fotonů.

Vědci z izraelského Weizmannova institutu - zleva Serge Rosenblum, Yulia Lovsky, Orel Bechler a Itay Shomroni

V základu principu práce tohoto fotonického routeru leží dvě fyzikální technologie - laserové chlazení a zachycování atomů. Kvůli druhé funkci jsou přímo na čipu přítomny optické “pasti”, v tomto případě rezonátory, přímo připojené k optickým kabelům, kterými proudí fotony.

Kvantové počítače jsou obecně výhodné proto, že operují s neurčitými kvantovými stavy, které se mohou chovat během výpočtu jako všechny základní stavy najednou, čímž dochází automaticky k paralelním výpočtům, což zvyšuje výpočetní výkon daného počítače oproti běžným nekvantovým. Tento neurčitý stav (neboli tzv. stav v kvantové superpozici) však trvá jen po dobu, kdy není narušen měřením nebo interakcí s jakýmkoliv jiným hmotným objektem, třeba další částicí. V tom případě dotyčný stav neurčité kvantové superpozice prakticky okamžitě “zkolabuje” do stavu jednoho, nekvantově určitého, a kvantové vlastnosti příslušného výpočetního procesu zmizí. Fotony jsou v tomto smyslu velmi vhodným pracovním médiem pro kvantové počítače, protože mezi sebou prakticky neinteragují a s ostatními částicemi hmoty interagují buď velmi málo, nebo se jejich interakce dá dobře kontrolovat.

Optická analogie routeru

Zdroje: Phys.Org, HPC wire, Weizmann Institute