Фотоны света, эти крошечные частицы, служат для переноса информации в большинстве квантовых вычислительных систем, и для того, чтобы воспользоваться информацией, содержащейся в фотонах, требуется технология детектирования и измерения параметров единичного фотона. Все такие технологии, которые имеются в распоряжении ученых, основаны на процессе поглощения фотона материалом детектора, что приводит к разрушению самого фотона и заключенной в нем информации. Но в статье, опубликованной в журнале Science от 5 ноября 2013 года, ученые из Института квантовой оптики Макса Планка, Германия, описали новый метод детектирования единичных фотонов путем отражения этого фотона ядром атома определенного вещества, находящегося в состоянии квантовой суперпозиции.
Атомное ядро, находящееся в состоянии квантовой суперпозиции, это ядро атома определенного материала, которое с помощью воздействия внешнего фактора, магнитного поля или света лазера, находится в уникальном состоянии, сразу в двух энергетических состояниях. Это ядро атома может вращаться одновременно в двух противоположных направлениях, или, как было сделано в описываемом эксперименте, или находиться в двух различных электронных энергетических состояниях.
Когда фотон света сталкивается с ядром, находящимся в состоянии неустойчивой квантовой суперпозиции, воздействие от столкновения изменяет квантовое состояние ядра атома в ту или иную сторону, а это изменение, в свою очередь, может быть зарегистрировано и измерено массой различных способов, имеющихся в распоряжении ученых. Но самым интересным является тот факт, что фотон света не поглощается ядром атома, он отражается от него, изменяя лишь направление своего движения, при этом все остальные параметры фотона, равно как и записанная в нем информация, остаются неизменными. Это позволяет произвести несколько повторных подобных измерений, позволяющих во много раз увеличить точность и надежность считывания информации.
Такой «недеструктивный» метод детектирования единичных фотонов и измерения их параметров может быть использован во множестве самых различных областей науки и техники. Но самым важным направлением применения этого метода, безусловно, является область квантовых вычислений. Благодаря этому методу станет возможной реализация атомов-детекторов фотона, которые будут выступать и в роли квантовых битов, кубитов, выполняющих роль ячеек квантовой памяти и логических элементов, выполняющих обработку квантовой информации.
Вполне вероятно, что технологию неразрушающего детектирования фотонов удастся объединить с технологией создания квантовых битов, способных держать в сохранности квантовую информацию очень длительное время при нормальной температуре окружающей среды. А если прорывы в области квантовых технологий будут и дальше происходить такими же темпами, как и в последнее время, то очень скоро по сравнению с новыми квантовыми персональными компьютерами и смартфонами нынешние цифровые электронные устройства будут выглядеть чем-то наподобие древних канцелярских счет с костяшками или примитивных механических арифмометров.
