Квантовий прорив без магнітів: литовські фізики знайшли спосіб «програмувати» атоми світлом
Дослідники з фізичного факультету Вільнюського університету представили теоретичну модель, яка дозволяє попередньо «програмувати» атоми за допомогою світла, повністю виключаючи потребу в зовнішніх магнітних полях. Це відкриття може кардинально змінити підхід до створення квантових обчислювальних систем і комунікаційних мереж.
Суть моделі полягає в наступному: світловий пучок спочатку задає певний стан атомного середовища, а потім це заздалегідь підготовлене середовище починає активно впливати на форму та поляризацію складних лазерних пучків. Ключовим елементом тут виступають оптичні вихори — пучки зі спіральною структурою хвильового фронту. У центрі такого вихору інтенсивність падає до нуля, утворюючи темну область. Розмір цієї області визначається топологічним зарядом, який, як підкреслюють автори, «не обмежений і може приймати будь-які додатні та від'ємні цілі значення».
На практиці це означає можливість отримання до 10 000 різних станів. Замість звичних кубітів (систем із двома станами) ми можемо працювати з кудитами — багаторівневими одиницями квантової інформації. Це експоненціально збільшує обсяг даних, які можна закодувати в одному квантовому носії.
Для керування векторними вихорами вчені розглянули взаємодію пучка з атомним газом, де в кожного атома є три енергетичні рівні. У такій моделі підготовлене середовище буквально «успадковує» просторовий малюнок світла: в одних областях атоми починають інтенсивно поглинати випромінювання, а в інших стають майже прозорими. Виникає зворотний зв'язок — атомний відгук перебудовує сам пучок. Замість простої кільцевої структури формується складний пелюстковий малюнок із кількома яскравими областями навколо центру, а поляризаційна структура повністю змінюється.
Раніше для подібного контролю були потрібні потужні зовнішні магнітні поля та громіздке обладнання. Нова модель пропонує елегантне та компактне рішення. Теоретично ця розробка відкриває шлях до значно швидших квантових процесорів, високозахищених квантових комунікаційних мереж і надточних оптичних датчиків.
Думка експерта: Це не просто чергова лабораторна абстракція. Можливість керувати атомами без магнітних полів знімає одне з головних фізичних обмежень для масштабування квантових систем. Якщо модель буде експериментально підтверджена, ми можемо побачити появу принципово нових архітектур квантових комп'ютерів, які будуть дешевшими, компактнішими та стабільнішими за сучасні аналоги. За цим варто уважно стежити.