Французские физики добились интерференции между фотонами, испущенными совершенно независимыми атомами. Это важный шаг на пути к созданию квантовых компьютеров.

Квантовая информатика - дело уже недалекого будущего. В квантовых вычислительных системах информация будет кодироваться не единицей или нулем, а квантовыми состояниями элементарных частиц, а вычисления будут опираться на совершенно недостижимую для обычного компьютера степень параллельности (см. статьи в журнале Квантовые компьютеры и квантовые вычисления). После того как в последние десятилетия XX века принципиальная возможность квантовых вычислений стала очевидной, а в 2001 году был продемонстрирован первый рабочий прототип квантового компьютера, исследователи сосредоточились на оптимизации процесса квантовых вычислений.

В одной из схем квантового компьютера для передачи данных используются отдельные кванты света - фотоны. В них можно закодировать квантовые биты информации, которую надо передать от одного атома к другому, и, кроме того, фотонами легко управлять без разрушения их квантовых состояний. Например, квантовые логические узлы, аналогичные "И" и "ИЛИ", можно будет реализовать, используя интерференцию фотонов.

Но тут-то и начинаются сложности. Дело в том, что обычная интерференция света, которую можно наблюдать в повседневных явлениях (игра цветов на мыльных пузырях или пленках бензина в лужах), - результат интерференции каждого фотона с самим собой. Интерференцию же двух фотонов разного происхождения организовать и пронаблюдать очень трудно.

В принципе, теоретических препятствий для этого нет: надо лишь, чтобы два фотона были совершенно одинаковыми. Это подразумевает не только одинаковую длину волны и одинаковую поляризацию, но и идентичное пространственное распределение этих двух квантов электромагнитных волн. Малейшая непохожесть волновых фронтов превратит их в две в чём-то различающиеся частицы, и интерференция ослабнет или вообще исчезнет.

Достичь интерференции между двумя фотонами в эксперименте удалось лишь несколько лет назад. В одном из экспериментов, например, ученые смогли как бы наложить друг на друга два фотона, последовательно испущенных одним и тем же атомом. Однако для оптических квантовых компьютеров этого недостаточно: ведь нужно заставить интерферировать фотоны, испущенные разными источниками.

Именно это сумели сделать исследователи из Института оптики в Орсэ (Франция). Результаты их опытов были изложены в недавней статье J. Beugnon et al., Nature, 440, 779 (6 April 2006).

В эксперименте французов фотоны излучались двумя атомами рубидия, пойманными в две оптические ловушки и разделенными большим (для атомного мира) расстоянием в 6 микрон. Эти два атома облучались лазерным лучом, переходили в одни и те же возбужденные состояния и затем, независимо друг от друга, излучали два фотона. Эти два фотона вылетали из ловушки, проходили через систему линз и зеркал по двум разным путям, а затем совмещались друг с другом в пространстве с помощью специального полупрозрачного зеркала - "расщепителя луча" (который в данном случае работал, наоборот, соединителем лучей). Благодаря этому волновые фронты двух фотонов накладывались один на другой и происходила интерференция, которую можно было легко наблюдать с помощью фотоумножителей.

Впрочем, интерференция получилась неидеальная: примерно в 20% всех случаев два фотона всё же проходили сквозь систему, не интерферируя, и регистрировались как "разные" частицы. Это связано с тем, что форма их волновых фронтов была не абсолютно одинакова, из-за чего фотоны всё же перекрывались в пространстве не полностью. В подтверждение этого объяснения авторы приводят результаты простого опыта: достаточно сдвинуть один фотон относительно другого вперед по ходу движения на несколько сотых долей миллиметра, и интерференция исчезает.

По мнению авторов, "выправление" волновых фронтов двух фотонов, а значит, достижение практически идеальной интерференции - задача несложная. Кроме того, описанная схема легко масштабируется: как только будет достигнута полная интерференция двух фотонов, можно будет без проблем воссоединять и большое число независимо испущенных фотонов. Всё это открывает простор для будущих конструкторов квантового компьютерного "железа".