Физики из Университета Майнца (Johannes Gutenberg University Mainz) разработали новый вид квантового интерфейса, являющегося двунаправленным мостом между фотонами света и атомами вещества. Основой этого интерфейса является сверхтонкое оптическое волокно, он является идеальным решением для передачи квантовой информации. Разработка нового квантового интерфейса - это существенный шаг вперед в области безопасных квантовых коммуникаций, которая при передаче информации использует сильные шифровальные методы квантовой криптографии. "Наш квантовый интерфейс может так же оказаться весьма полезным и при создании будущих квантовых компьютеров" - добавляет профессор Института физики в Университете Майнца, доктор Арно Раушенбетель (Arno Rauschenbeutel).

В настоящее время, телефония, Интернет и другие коммуникации, прежде всего, полагаются на передачу информации по оптическим каналам, используя оптоволоконные кабельные системы. Исходя из этого оптоволоконные сети передачи информации можно рассматривать как основополагающую современных коммуникаций. Свет, циркулирующий внутри этих сетей, не является непрерывным потоком энергии, он состоит из элементарных неделимых частиц света - фотонов, которые могут передать по одной единице логической информации каждый. Но, будучи квантовыми объектами, фотоны, обладающие свойствами, как электромагнитной волны, так и частицы, могут существовать одновременно в двух состояниях, к примеру, нести сразу значение и логического нуля и логической единицы. Это уникальное свойство фотонов делает возможным само понятие квантовой криптографии, реализующей наиболее надежные алгоритмы шифрования данных, которые, в свою очередь, делают невозможным перехват и расшифровку данных.

Единственным недостатком фотонов является малое время, в течение которого фотон может устойчиво сохранять свое состояние и переносимую им информацию, для длительного хранения квантовой информации более подходящими кандидатами являются атомы вещества, которые могут оставаться в неизменном состоянии достаточно длительное время. Таким образом, для передачи и хранения квантовой информации требуется некий интерфейс, который обеспечивает двунаправленную передачу квантовой информации от фотонов света к атомам вещества и наоборот. Помимо этого, такой интерфейс должен с легкостью интегрироваться в существующую инфраструктуру оптоволоконных сетей передачи данных.

Группа физиков из Университета Майнца во главе с профессором Арно Раушенбетелем, проведя ряд исследований и экспериментов, разработала квантовый интерфейс, основанный на ультратонком оптоволокне. Согласно материалам этих исследований, опубликованных в научном журнале Physical Review Letters, ученые взяли обычное оптоволокно, нагрели его до высокой температуры и вытягивали его до тех пор, пока его диаметр стал равен всего одной сотой диаметра человеческого волоса. Этот тончайший наносветопровод имеет толщину меньше, чем длина волны фотонов света, как следует из этого, свет, проходящий через такой световод, больше не ограничивается его физическими размерами и частично распространяется в области пространства, окружающем световод. В качестве "хранилища" квантовой информации были используются атомы цезия, пойманные в магнитной ловушке и охлажденные до криогенной температуры в несколько миллионных долей градуса выше точки абсолютного нуля с помощью лазерного луча. Пойманные в ловушку атомы располагались на расстоянии 200 нм от поверхности оптоволокна и оказывались, таким образом, в области распространения фотонов света, позволяя взаимодействие фотонов, проходящих через световод, с атомами цезия.

Проверяя этот интерфейс в действии, ученые из Майнца обнаружили, что полученный эффект обладает высокой эффективностью, для передачи информации между фотонами и атомами, без потерь или искажения данных, требуется всего несколько тысяч атомов, заключенных в ловушки.

Помимо коммуникационной области, новый интерфейс с небольшими модификациями, может стать и интерфейсом между обычной, полупроводниковой, и квантовой электроникой. Атомы, пойманные в ловушке, могут располагаться вблизи цепей квантовых сверхпроводимых полупроводниковых элементов, на которые они будут оказывать влияние, совмещая преимущества двух различных систем. Практическая реализация такого интерфейса, которая уже запланирована на недалекое будущее, может стать важным шагом на пути создания квантового компьютера.