Недавно завершилась всероссийская перепись населения, которая проходила весьма непросто. Всего, по данным социологов, в переписи приняло участие примерно 93 % граждан России. Американский ученый А.Имамоглу не удовлетворился бы таким низким уровнем охвата - предлагаемая им система счета фотонов позволит в перспективе регистрировать более 99 % фотонов.

Рис.1. Схема энергетических уровней, "задействованных" в счете фотонов.

Для работы квантового компьютера на основе линейных оптических элементов требуется уметь управляемым образом генерировать одиночные фотоны (о имеющихся и разрабатываемых способах генерации отдельных фотонов мы неоднократно писали в наших новостях) и регистрировать испущенные фотоны с высокой эффективностью. Наилучшие из существующих на сегодняшний момент систем для счета фотонов позволяют регистрировать менее 90 % приходящих фотонов. Однако для реализации предлагаемых моделей квантовых компьютеров требуется детектировать около 100 % фотонов. Задача эта совсем не простая и, поскольку традиционные методы счета фотонов не позволяют достичь столь высокой эффективности, необходимо искать новые.

Для создания практически идеального счетчика фотонов американский исследователь А.Имамоглу предложил использовать сочетание двух "новейших научных достижений" - измерения состояния ионов в ловушке (обладающих почти 100 % эффективностью) и возможность обратимым образом преобразовывать электромагнитное поле в коллективные атомные возбуждения (нашумевшая "остановку света"). О последнем явлении (способности "превращать" световой импульс в коллективные спиновые возбуждения атомов и вновь "восстанавливать" его) можно прочесть в нашей заметке . Термин "остановка света" не очень удачен, правильнее вслед за авторами оригинальных работ говорить о "хранении света": главными особенностями экспериментов с "остановленным" светом являются возможность управлять скоростью движения светового импульса в среде и обратимость процесса преобразования света в коллективные атомные возбуждения, а также возможность в течении достаточно долгого времени (оно определяется характерным временем релаксации атомного магнитного момента и составляет сотни микросекунд) "хранить" световой импульс "без повреждения".

Второй "составляющей" счетчика фотонов является методика измерения квантового состояния иона в ловушке. Цель таких измерений - определить, в каком состоянии находится ион, в основном |g> или метастабильном |m> (рис.1). Речь идет об электронных состояниях, обусловленных сверхтонким расщеплением основного энергетического уровня. Измерения происходят путем наблюдения резонансной люминесцении. Энергия кванта лазера соответствует переходу между метастабильным состоянием |m> и возбужденным состоянием |f>; оказавшись в возбужденном состоянии |f>, электрон "возвращается" в состояние |m>, испуская фотон (происходит спонтанное излучение). Если такая резонансная люминесценция наблюдается, это означает, что ион находится в состоянии |m> (из состояния |f> возможен переход только в состояние |m>), если не наблюдается - значит ион находится в состоянии |g>. Подчеркнем, что происходит множество актов излучения, что и позволяет надежно регистрировать наличие или отсутствие резонансной люминесценции.

Рис.2. Возможная экспериментальная реализация предлагаемой системы счета фотонов.

Общая черта двух описанных явлений состоит в резонансном характере взаимодействия лазерного излучения с атомами. Поэтому мысль совместить их не кажется такой уж неестественной. Возможная экспериментальная реализация системы для счета фотонов показана на рис.2. Пусть имеется последовательность фотонов, в совокупности представляющая собой световой импульс, задача, которая стоит перед нами - подсчитать число фотонов в импульсе. Пусть этот световой импульс попадает в кювету с парами щелочных газов (естественно, при этом должны соблюдаться резонансные условия). Управление скоростью движения светового импульса обеспечивается с помощью "управляющего" лазерного поля (coupling laser на рисунке, сравните схему энергетических уровней (за исключением |f>) на рис. 2 и на рис. 1a из нашей заметки об "остановке света"). При медленном выключении управляющего лазера световой импульс полностью преобразуется в коллективные спиновые возбуждения атомов и в игру вступает другой, детектирующий, лазер (detection laser на рис.2). C его помощью производится подсчет числа атомов, находящихся в возбужденном состоянии |m> (оно прямо пропорционально числу фотонов в импульсе) - так, как было описано выше: по наличию резонансной люминесценции. Высокая эффективность счета достигается за счет многократности актов резонансного рассеяния фотонов (scattered photons на рис.2), это позволяет определить число "остановленных" фотонов даже при не слишком высокой эффективности работы детекторов.

Конечно, такая схема счета фотонов связана с определенными ограничениями и предполагает не очень высокое быстродействие системы счета фотонов (для повышения быстродейтвия можно использовать не атомные пары, а твердотельную среду), но, главное, она делает принципиально возможным создание оптических квантовых компьютеров.

1. A.Imamoglu. Phys.Rev.Lett., v.89, 163601 (2002).

Е.Онищенко