Исследователи из Массачусетского технологического института, Гарвардского и Венского технологического университетов разработали новый тип оптического ключа, управление состоянием которого осуществляется с помощью одного единственного фотона света. Функции этого ключа, которые могут быть использованы в областях оптических и квантовых вычислений, аналогичны функциям полупроводникового транзистора в обычных электронных схемах.

Данное достижение имеет важное значение для области оптических вычислений, которые могут быть реализованы за счет оптических схем, использующих для хранения и обработки данных фотоны света вместо электронов. Такой подход может привести к снижению расходуемой энергии, ведь для хранения и передачи единицы информации достаточно одного фотона, на создание которого тратится энергия во много раз меньше, чем на передачу одного бита традиционным электронным путем.

Так почему же люди еще не создали работоспособные оптические вычислительные устройства? Вся проблема заключается в том, что фотоны, в отличие от несущих электрический заряд частиц, практически не взаимодействуют друг с другом и с материалом среды, в которой они распространяются. Два фотона, «столкнувшись» в вакууме, пройдут друг через друга, абсолютно не заметив этого.

Поэтому, для управления потоком фотонов с помощью тех же самых фотонов требуются специальные оптические ключи. Ключ, о котором сейчас идет речь, является далеко не первой реализацией такого ключа, но из всех других подобных устройств его выделяет то, что управление состоянием ключа производится с помощью одного единственного фотона.

Основой этого оптического транзистора являются два зеркала, между которыми находится изолированный объем, заполненный газом из атомов цезия, охлажденных до сверхнизкой температуры. Зеркала установлены параллельно и на определенном расстоянии друг от друга, которое точно калибровано относительно длины волны света. Это позволяет внутреннему объему оптического транзистора действовать в качестве оптического резонатора, свет в котором колеблется меж двух зеркал, не изменяя фазы колебаний.

Известно, что фотоны света обладают дуализмом, они могут рассматриваться одновременно как частицы и как электромагнитные волны. Фотон-частица, попадая снаружи на одно из зеркал, должен отразится и возвратиться к источнику света, но волновые свойства того же фотона позволяют ему пройти сквозь зеркало и попасть в полость резонатора. Колебания «управляющего» фотона в полости оптического резонатора, взаимодействующего с атомами цезия, создают электромагнитные поля, компенсирующие эффект обоих зеркал и настолько сильно меняют физические свойства полости, что другие фотоны получают возможность не задерживаясь проходить через структуру оптического транзистора, правда не все, а приблизительно 20 процентов.

Практически это устройство работает как оптический ключ, проводящий или не проводящий свет в зависимости от наличия «управляющего» фотона в его резонансной полости, который выполняет роль электрического потенциала на затворе обычного полевого транзистора.

Наличие устройства, оптического ключа, способного изменять состояние с помощью одного фотона, открывает возможность создания множества оптических схем, которые работают за счет эффекта квантовой суперпозиции, которые в будущем могут стать базовыми узлами квантовых компьютеров, для которых, как мы рассказывали недавно, уже был разработан язык программирования высокого уровня.