Минус на минус дает плюс. Ученые нашли способ заставить квантовый шум уничтожать самого себя

Свет считается идеальным носителем информации, но даже он создаёт помехи в квантовом мире. Исследователи из Университета Айовы нашли способ «очистить» фотоны, что может устранить одно из главных препятствий на пути к более быстрым квантовым компьютерам и защищённым сетям связи.

Одиночные фотоны — основа фотонных квантовых систем. В отличие от классических битов, которые переключаются между единицей и нулём, квантовые системы используют кубиты — часто это отдельные частицы света — для обработки и передачи информации. Однако генерировать фотоны строго по одному, без лишних или дублирующихся частиц, оказалось невероятно сложно.

Прогресс тормозят две проблемы. Первая — рассеяние лазера: когда лазер возбуждает атом, он непреднамеренно порождает лишние фотоны. Вторая возникает, когда атомы испускают сразу несколько фотонов, нарушая упорядоченный поток, необходимый для точности квантовых вычислений.

Вместо того чтобы бороться с каждым эффектом по отдельности, команда из Айовы применила неожиданный подход: заставить шум гасить сам себя. Теоретические расчёты показали, что нежелательные фотоны от рассеяния лазера и многофотонной эмиссии имеют практически идентичные характеристики длины волны и формы сигнала. Если точно настроить параметры лазера, два источника помех взаимно уничтожаются, оставляя гораздо более чистый поток фотонов.

«Мы показали, что паразитное рассеяние лазера, которое обычно считается досадной помехой, можно использовать для подавления нежелательной многофотонной эмиссии», — объясняет Равитедж Уппу, доцент кафедры физики и астрономии и ведущий автор исследования. Ключевое открытие сделал аспирант Мэттью Нельсон, который обнаружил спектральное совпадение между лишними фотонами и самим лазерным светом. Это позволило использовать точное управление лучом — его угол и форму — для подавления избыточного излучения.

Чистота фотонов — не просто техническая деталь. Упорядоченные потоки одиночных фотонов легче контролировать, синхронизировать и масштабировать, а ещё они снижают риск ошибок в квантовых операциях. Есть и аспект безопасности: каналы связи на одиночных фотонах сложнее перехватить, что делает их привлекательными для квантового шифрования.

Фотонные технологии набирают популярность в квантовой индустрии — несколько стартапов делают ставку на то, что системы на основе света превзойдут электронику по скорости и энергоэффективности. Но без надёжных источников одиночных фотонов эти амбиции упираются в жёсткие ограничения.

Пока работа команды из Айовы остаётся теоретической, но учёные уже готовят лабораторные эксперименты для проверки модели. Проект поддержан Министерством обороны США и внутренними грантами университета. Если эксперименты подтвердят теорию, метод может изменить сам подход инженеров к шуму в квантовых системах — не как к чему-то, что нужно устранять, а как к ресурсу, который можно использовать. Результаты опубликованы в журнале Optica Quantum.