Квантовая электроника – почти реальность

Предисловие

Как известно эта неделя отмечена неординарным, хотя и ежегодно проходящем в мире науки, одинаково важным для всего человечества, событием: присуждением Нобелевских премий. В нарицательном смысле эту неделю часто так и называют: нобелевской неделей.

Премия по физике в этом году была присуждена Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру за объяснение наличия массы у элементарных частиц. Ученые сделали свое теоретическое открытие возможности существования новой частицы еще в 1960-е годы (позже эта частица-бозон была названа в честь Хиггса). В 2011 году, в результате  исследований на Большом андронном коллайдере удалось экспериментально обнаружить и подтвердить существование  бозона Хиггса.

В обзорах наших новостей мы время от времени приводим публикации (например, здесь  или здесь1) свидетельствующие о современном  мощном, прорывном проникновении фундаментальных достижений науки в различные технологические отрасли (наиболее интересных для нас цифровых, информационных областей).

Всякий раз при этом мы пытаемся подчеркнуть мысль, что, кажущиеся фантастическими сегодня, современные гипотезы и достижения фундаментальных и прикладных исследований в области химии, физики, нанотехнологий еще недавно выглядели в истории науки столь же необычными и маловероятными с точки зрения их практической реализации.

В сегодняшнем выпуске новостей мы предлагаем вашему вниманию две публикации из мира высококлассных научных исследований, которые лишь на первый взгляд кажутся далекими от сегодняшней реальности. Приведем здесь две небольшие цитаты, достаточно емко раскрывающих тему предлагаемых публикаций: 

- Большинству обычных людей все достижения и открытия, сделанные в области квантовых технологий, не кажутся интересными и впечатляющими. Это происходит потому, что область квантовой физики и квантовой механики невероятно сложна, и для ее понимания требуется большой багаж специальных знаний. Но, невзирая на это, исследования квантовых технологий имеют очень важное значение для будущего человечества, в котором этим технологиям найдется масса практических применений. (Источник dailytechinfo.org)

-  В последние годы бозон Хиггса стал частью мировой культуры - его упоминали герои книг и телесериалов, о нем рассуждали политики и священнослужители. Так что авторов предположения о существовании “частицы Бога” можно было бы наградить как минимум за популяризацию науки в масштабах всей планеты. (Источник kommersant.ru)

  Эксперименты по квантовой телепортации  достигли внушительных результатов   в серии исследований, проведенных за последние 10-15 лет, хотя первые теоретические работы о явлениях квантовой запутанности,  которые составляют фундаментальное ядро современных экспериментальных работ по созданию квантовой электроники появились в еще 30-х годах прошлого столетия.

Ученым впервые удалось передать информацию в пределах одного чипа с помощью квантовой телепортации

Благодаря усилиям многих групп ученых квантовая телепортация неуклонно приближается к тому моменту, когда ее практическое применение станет самой обычной технологией. И одним из последних достижений в этом направлении является работа швейцарских ученых, которым впервые в истории науки удалось реализовать передачу данных с помощью контролируемой квантовой телепортации в пределах одного чипа, структура которого весьма близка к структуре обычных компьютерных чипов.

Методы квантовой телепортации, которые были разработаны в ходе данных исследований, являются большим продвижением вперед к разработке реальных квантовых компьютеров и квантовых коммуникационных сетей, гарантирующих полностью безопасную передачу конфиденциальных данных.

В отличие от телепортов из "Звездного пути", технологии квантовой телепортации не перемещают материальные объекты в пространстве. С помощью этого метода осуществляется лишь передача квантовой информации между двумя взаимосвязанными, запутанными на квантовом уровне, объектами, чаще всего электронами, атомами или фотонами. В качестве передаваемой квантовой информации может выступать поляризация, энергия, направление вращения и другие физические характеристики, присущие квантовым объектам.

Создание работоспособного канала передачи квантовой информации является весьма сложной задачей, которая начинает покоряться ученым лишь в последнее время. Нестабильность квантовой телепортации является следствием "хрупкости" квантовых свойств частицы, которые разрушаются или изменяются под влиянием любого даже очень слабого внешнего воздействия. В момент передачи информации устройство-отправитель не может просто измерить квантовое состояние частицы и изменить его должным образом, сам факт этого измерения послужит причиной разрушения квантовой информации.

В 1997 году ученые-физики разработали методику реализации квантовой телепортации, но, к сожалению, она работала крайне нестабильно, доставляя получателю лишь малый процент передаваемой информации. С того момента времени физики усовершенствовали технологии и в конце концов квантовая телепортация более-менее устойчиво работала с помощью фотонов, передаваемых через оптоволоконные кабеля на достаточно большие расстояния.

Не так давно группа ученых из Швейцарского федерального Технологического института в Цюрихе (Swiss Federal Institute of Technology Zurich, ETH Zurich), возглавляемая физиком Андреасом Валлрафф (Andreas Wallraff), создала первый полупроводниковый прибор, подобный компьютерному чипу, в пределах которого реализована технология передачи информации с помощью квантовой телепортации.

На кристалле чипа содержатся крошечные структуры, поведение которых соответствует поведению отдельных атомов. Эти структуры окружены и связаны с крошечными резонаторами, излучающими микроволновое излучение, которая позволяет управлять квантовым состоянием псевдо-атома и запутывает на квантовом уровне два псевдо-атома, расположенные по соседству. Программируя квантовую информацию одной из структур, исследователи добились изменения сигнала, считываемого со второй структуры, и наоборот.

Но что является самым примечательным, система квантовой телепортации Андреаса Валлрафф является наиболее быстродействующей системой на сегодняшний день, с ее помощью можно передать до 10 тысяч бит информации в секунду. Помимо такой беспрецедентно высокой для квантовых систем скорости переключения, эта система обладает крайне высокой надежностью, за все время экспериментов и исследований было зарегистрировано всего несколько случаев передачи недостоверной информации.

Описание разработанных методов, их теоретические обоснования и результаты проведенных экспериментов были опубликованы в журнале Nature, в выпуске от 15 августа 2013 года.

Источник dailytechinfo.org