Всякая полноценная система обработки квантовой информации должна содержать процессор, память для поддержки процессора и долговременного хранения данных, плюс, конечно же, средства связи для обмена информацией между этими компонентами. Эксперименты и теоретические исследования свидетельствуют, что в качестве идеального переносчика квантовой информации наилучшим образом подходит свет. В принципе, на основе фотонов можно также пытаться строить и квантовый процессор, и устройства памяти, однако очень быстрые безмассовые частицы для этих задач подходят не лучшим образом. С другой стороны, более удобные в манипуляциях атомы и ионы оптимально подходят для хранения информации в своих квантовых состояниях, демонстрируя при этом очень долгие сроки жизни.

В таких условиях наилучшая конструкция для гипотетического запоминающего устройства квантовой информации обозначилась естественным, можно сказать, образом и выглядит примерно так. В идеале атомы материи должны формировать квантовую память для света. В такой памяти квантовые состояния оптического пучка можно было бы хранить, возможно обрабатывать и впоследствии извлекать в управляемом режиме. В классических системах обработки информации с участием света биты данных передаются закодированными в световых импульсах. Эти импульсы регистрируются фотодетекторами, преобразуются в импульсы электрического тока и в таком виде передаются в телефоны, компьютеры, запоминающие устройства и тому подобные приборы. В таких преобразованиях – суть классического интерфейса между светом и материей. Но при обработке квантовой информации столь простой механизм детектирования света для его передачи, записи и хранения в памяти совершенно не подходит.

Хотя слабый импульс света – это по природе своей квантовый объект, полная информация об этом импульсе даже в принципе не может быть записана в классическую память. При такой записи неизбежно происходит разрушение хрупких квантовых состояний. По этой причине появилась необходимость в разработке совершенно особого интерфейса, обеспечивающего высококачественный перенос квантовых состояний кубитов-фотонов на квантовые состояния – чаще всего это спины – атомных кубитов. При считывании, соответственно, требуется обратный перенос информации с атомов на фотоны света.

Хотя проблема подобных переносов изучалась в квантовой электродинамике и раньше, собственно термин «квантовый интерфейс материя-свет» появился совсем недавно, в конце 1990-х годов. По мере же освоения направления стало очевидно, что это один из основополагающих разделов для всей области квантовой информации, ее обработки и коммуникаций. На сегодняшний день исследователями предложено и разрабатывается довольно большое число разных методов для обмена квантовыми состояниями света и атомов.

*

Наиболее очевидный из этих способов – хранение состояния отдельного фотона в отдельном атоме или ионе – с технической точки зрения оказывается вполне реализуемым, однако для практических приложений излишне сложным и неэффективным. Куда более заманчивым и многообещающим сейчас представляется несколько иной метод – связывание квантового состояния света с ансамблем атомов. Этот новый подход к проблеме квантового интерфейса между материей и светом появился вместе с открытием того факта, что большое скопление атомов – атомный ансамбль – может быть эффективно связано с квантовым светом, если для этого связывания можно применить коллективное состояние суперпозиции множества атомов. За время, прошедшее с момента первой демонстрации квантового интерфейса между светом и атомным ансамблем, этот подход стал одним из наиболее плодотворных и богатых на результаты направлений в данной области.

Среди интересных свойств, обнаруженных у ансамблей атомов в качестве квантовой памяти для света, самое, быть может, замечательное – это так называемая пространственно многомодовая емкость. Исследователи, впервые продемонстрировавшие данное свойство в 2007-2008 гг. (Денис Васильев, Иван Соколов, Евгений Ползик), с полным основанием назвали такой вид памяти «квантовой голограммой».[1]

Ранее в других работах уже было показано, что ансамбль атомов может быть эффективной квантовой памятью для отдельной пространственной моды света, т.е. сигнала одной частоты. Теперь же стало ясно, что мультиатомная природа ансамбля позволяет хранить в нем многие пространственные моды и записывать голограммы оптических изображений. При этом показано, что квантовая голограмма имеет более высокую емкость хранения в сравнении с голограммой классической. И более того, способна хранить квантовые свойства изображения, такие как мультимодовую суперпозицию и сцепленные квантовые состояния – то есть такую информацию, которую в обычной голограмме обеспечить невозможно.

Первоначальные результаты относительно квантовых голограмм, сулящих очень перспективную квантовую память для изображений, достигнуты в сугубо теоретической области. Однако экспериментальное освоение новых идей в квантовой оптике, как правило, происходит довольно быстро. А арсенал конкретных атомных ансамблей, используемых в экспериментах по реализации квантового интерфейса материя-свет, достаточно разнообразен и постоянно расширяется. На сегодняшний день здесь чаще всего используют атомарные газы щелочных элементов при комнатной температуре, щелочные атомы, охлажденные в ловушках до нескольких десятых или сотых микрокельвина, либо примесные центры в твердотельном состоянии чистого вещества.

**

Кроме того, за последние годы получили развитие и другие варианты сред, возможных для устройства квантовой памяти. В частности, большое внимание привлекают так называемые оптические решетки. Здесь атомы конденсата Бозе-Эйнштейна равномерно размещаются в узлах светового кристалла, иначе именуемого трехмерной оптической решеткой [2]. Такого рода регулярные структуры формируются с помощью стоячих волн при интерференции лазерного света. Первые эксперименты и теоретические расчеты свидетельствуют, что квантовый интерфейс на основе таких решеток предоставляет богатые возможности как для переноса квантовой информации между материей и светом, так и для ее обработки в квантовых сетях.

Случилось так, что идейно весьма близким к этим работам оказывается существенно иное направление в прикладных оптических исследованиях, обобщенно именуемое фотонными кристаллами. Хотя сам этот термин появился недавно, в 1990-е годы, исследования «оптических сред с периодическими неоднородностями структуры» (другое, более длинное определение фотонного кристалла) начались намного раньше, фактически с первых работ по голографии в трехмерных средах. Еще в 1964 году появилась статья [3] (NA Kurnit, ID Abella, SR Hartmann) о явлении фотонного эха в голограммах. Там же была выдвинута идея и о принципиальной возможности применять эту технику для хранения импульсов света. В ту пору, правда, речь шла лишь о классическом, а не квантовом свете.

В последующие десятилетия появилось немало работ о замечательных свойствах, выявляемых в динамических голограммах с записью в нелинейных средах и – более широко – в материалах, структура которых имеет периодическое изменение коэффициента преломления по пространственным направлениям. Получаемые результаты давали все больше свидетельств тому, что оптические среды при правильно поставленных условиях эксперимента способны демонстрировать для света любые аналоги свойств, уже известных и хорошо освоенных для электротока в радиоэлектронных схемах. А именно, что и для света можно изготовить не только эффективные проводники и изоляторы, но и полупроводники, и даже сверхпроводники.

По аналогии с разрешенными и запрещенными энергетическими зонами – фундаментом твердотельной электроники – аналогичное понятие было введено и в оптику. Это сделал в 1987 году Эли Яблонович, в ту пору сотрудник Bell Communications Research, обобщив понятие запрещенной зоны до электромагнитных волн вообще и для света в частности [4]. Вскоре после этого понятия «фотонная запрещенная зона» и «фотонный кристалл» (как среда, использующая данные свойства) стали ключевыми терминами новейшего направления современной оптики. Достигнутые с тех пор несомненные успехи в области физики фотонных кристаллов и устройств на их основе сегодня уже позволяют говорить о скором создании оптических микросхем. Поскольку оптика означает принципиально новые способы передачи, хранения и обработки информации, значимость этого достижения будет вполне сопоставима с созданием интегральной микроэлектроники в 1960-е годы.

***

Здесь, впрочем, интерес представляют не столько темпы технологической революции, сколько физическая суть интересного явления. С общей точки зрения фотонный кристалл является средой с решетчатой для света структурой, т.е. с периодическим изменением коэффициента преломления среды – в одном, двух или трех измерениях (1D-, 2D-, 3D-фотонные структуры соответственно). Период такой оптической решетки делают сравнимым с длиной электромагнитной волны, что кардинально влияет на волновую физику поведения фотонов. Управляя структурой решетки, становится возможным управлять шириной разрешенных и запрещенных зон для движения фотонов – включая их полное отражение, беспрепятственное прохождение, замедление или даже остановку.

Так, фотонные проводники обладают широкими разрешенными зонами, благодаря чему свет свет пробегает здесь большие расстояния, практически не поглощаясь. Другой класс фотонных кристаллов – фотонные изоляторы – обладает широкими запрещенными зонами. В отличие от обычных непрозрачных сред, в которых свет быстро затухает, превращаясь в тепло, фотонные изоляторы свет не поглощают, выступая как зеркала. Что же касается фотонных полупроводников, то они обладают более узкими по сравнению с изоляторами запрещенными зонами, что очень удобно для организации управления световыми потоками. Это можно делать, например, влияя на положение и ширину запрещенной зоны. Из этого должно быть понятно, что фотонные кристаллы представляют огромный интерес для построения лазеров нового типа, оптических компьютеров, хранения и передачи информации.

Одна из серьезнейших проблем, стоящих перед разработчиками и исследователями фотонных кристаллов, – это сложности создания высокоточных регулярных структур с микроскопическим периодом решетки порядка сотен нанометров (диапазон волн видимого света). Отчасти это удается решать современными методами литографии, например, трехмерной голографической литографией. В качестве рабочего материала используется особый фоточувствительный полимер, в котором создается трехмерное изображение будущего фотонного кристалла, и в местах, подвергшихся интенсивному облучению, полимер переходит в нерастворимую форму.

Но имеются и более крутые идеи. В фотонных кристаллах, зачастую являющихся существенно нелинейными оптическими средами, способны возникать явления самоорганизации структурных неоднородностей, обычно описываемые в терминах теории диссипативных структур или динамического хаоса. Иначе говоря, эти процессы могут означать, что в принципе есть возможность и для того, чтобы фотонный кристалл рос и формировался сам – как результат естественной самоорганизации материи [5]… На этой глубокой и воодушевляющей идее пора, пожалуй, завершить обзор квантово-оптических достижений науки. И перейти к самой занимательной части программы – очередным Картезианским играм.

[1] D. V. Vasilyev, I. V. Sokolov, and E. S. Polzik, «Quantum memory for images — a quantum hologram», 2008, Phys.Rev. A 77, 020302, (ArXiv: 0704.1737v2 [quant-ph] 17 Sep 2007)

[2] Olaf Mandel, Markus Greiner, Artur Widera, Tim Rom, Theodor W. Hänsch and Immanuel Bloch. «Controlled collisions for multi-particle entanglement of optically trapped atoms». Nature 425, 937-940 (30 October 2003) ; P. Treutlein, T. Steinmetz, Y. Colombe, B. Lev, P. Hommelhoff, J. Reichel, M. Greiner, O. Mandel, A. Widera, T. Rom, I. Bloch, and T. W. Hansch. «Quantum Information Processing in Optical Lattices and Magnetic Microtraps», arXiv:quant-ph/0605163v2 9 Jun 2006

[3] Kurnit, N. A., I. D. Abella, and S. R. Hartmann, «Observation of a Photon Echo», Phys. Rev. Lett. 13, 567 (1964)

[4] E. Yablonovitch, «Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics», Physical Review Letters 58 (20): 2059-2062 (1987)

[5] M. Duneau, F. Delyon, and M. Audier, «Holographic method for a direct growth of three-dimensional photonic crystals by chemical vapor deposition,» Journal of Applied Physics, Vol. 96, No. 5, 2004, pp. 2428-2436