Учёные превращают квантовый «шум» в ресурс: создан фотонный чип, использующий хаос

Исследователи разработали инновационный кремниевый чип, который не борется с квантовыми помехами, а использует их для изучения сложных физических процессов. Устройство намеренно позволяет частицам света, или фотонам, покидать систему контролируемым образом, превращая кажущуюся «потерю» информации в ценный источник данных.

• Для изучения квантового беспорядка учёные намеренно «выпускают» фотоны внутри кремниевого чипа.
• Квантовые помехи, обычно воспринимаемые как бесполезное искажение, превращаются в измеряемые данные.
• Кремниевый фотонный чип исследует сложные квантовые среды, используя программируемые световые пути.

Команда исследователей из Королевского технологического института KTH создала кремниевый чип, который функционирует на основе света, а не электричества. В отличие от традиционных подходов, это устройство не стремится подавить квантовый шум – случайные флуктуации, обычно нарушающие вычисления. Вместо этого, чип преднамеренно направляет часть световых частиц, известных как фотоны, по контролируемому пути «утечки». По словам разработчиков, измерение этих «утерянных» фотонов позволяет получить ценную информацию.

Контролируемая «утечка» как инструмент измерения

Докторант KTH Говинд Кришна отметил, что чип позволяет моделировать неидеальные процессы в контролируемых условиях. Часть движущихся фотонов перенаправляется в отдельный выходной канал, который действует как своего рода «среда» или «канал потерь» – фактически, специальный накопитель для уходящих частиц.

Исследователи тщательно измеряют этот канал, отслеживая судьбу отдельных фотонов на протяжении каждого эксперимента. Электрические сигналы определяют объём света, покидающего основной путь и входящего в этот боковой трек. Это означает, что учёные могут по команде расширять или сужать «утечку», не ограничиваясь фиксированной скоростью потерь.

Доцент KTH Али Элшаари сравнивает это устройство с программируемой железнодорожной развилкой для квантового света. Он пояснил, что, изменяя управляющие сигналы, можно определить, останутся ли фотоны в основном канале, будут ли они преимущественно направлены в канал потерь, или же окажутся в суперпозиции, зависящей от их квантовой интерференции.

От проблем к потенциальным решениям

Настоящие квантовые устройства неизбежно сталкиваются с утечками энергии, ослаблением сигналов и воздействием внешнего шума. Традиционно учёные рассматривают любые отклонения от идеальных условий как бесполезные потери, которые необходимо игнорировать.

Однако новый чип подходит к этим «несовершенствам» как к полезной характеристике, а не недостатку, переворачивая устоявшиеся представления. Соавтор исследования, доцент Хуачжунского университета науки и технологии Цзюнь Гао, подчеркнул, что их чип предоставляет контролируемый способ изучения потока квантовой информации, когда элементы, ранее считавшиеся проблемами (например, потери), могут быть превращены в полезные ресурсы.

Чип использует фотоны в качестве «заместителей» частиц в моделируемой природной системе, что позволяет учёным изучать реальное поведение, а не идеализированные сценарии. Большинство квантовых экспериментов исследуют лишь идеализированные установки, полностью игнорируя реальные возмущения.

Тем не менее, понимание того, как квантовые системы ведут себя в условиях фактических несовершенств, остаётся критически важным для практических применений. Говинд Кришна поясняет, что изучение поведения квантовых систем в условиях «беспорядка» необходимо для того, чтобы результаты экспериментов отражали природу такой, какая она есть на самом деле, а не только идеализированные установки. Эта строго контролируемая установка позволяет командам многократно воспроизводить и изучать поведение фотонов в различных конфигурациях системы, создавая своего рода «лабораторию несовершенств».

Данное исследование демонстрирует изобретательный метод изучения утечек энергии в контролируемых лабораторных условиях с использованием световых частиц. Однако вопрос о том, могут ли несовершенства действительно стать преимуществами за пределами контролируемых экспериментов, на данном этапе остаётся открытым.

Разрыв между демонстрационным кремниевым чипом и коммерчески жизнеспособным квантовым компьютером по-прежнему огромен и в значительной степени не изучен.