Европейские физики выяснили, что взаимодействия между одиночными фотонами и неупорядоченными потоками частиц света способны вносить значимые помехи в работу фотонных квантовых устройств. В прошлом их существование не учитывалось при проектировке подобных приборов, сообщила пресс-служба немецкого Ганноверского университета имени Лейбница (LUH).

«Мы впервые экспериментально доказали, что интерференция между неупорядоченным потоком фотонов и одиночными частицами света также ведет к появлению аналогичных квантовых взаимодействий между этими фотонами и фоновым излучением. Это означает, что мы не можем просто игнорировать этот фон и "вычитать» его из результатов расчетов, как это делалось в прошлом", – заявил профессор LUH Михаэль Кус, чьи слова приводит пресс-служба вуза.

Ученые совершили это открытие при разработке квантовых вычислительных систем, в которых расчеты осуществляются при помощи одиночных фотонов и большого набора взаимодействующих с ними оптических приборов. Подобные фотонные чипы сейчас считаются одним из самых перспективных направлений в разработке квантовых компьютеров.

Ключевую роль в работе подобных устройств играют взаимодействия между двумя фотонами с идентичными физическими свойствами, которые проходят через специальный светоделитель, имеющий два входа и выхода. В соответствии с законами квантовой физики, обе частицы должны покинуть делитель через один и тот же выход, если они достигли светоделителя в одно и то же время. Эта закономерность, так называемый эффект Хонга-У-Мандела, обеспечивает работу фотонных аналогов транзисторов.

Новый тип квантовых помех

В процессе разработки подобных устройств профессор Кус и его коллеги заметили, что иногда взаимодействия одиночных фотонов приводили тому, что частицы света покидали светоделитель не вместе, а через два разных выхода этого устройства. Этот невозможный с точки зрения квантовой физики исход взаимодействий между двумя фотонами заставил ученых всесторонне изучить то, как окружающая среда влияет на эффект Хонга-У-Мандела.

Проведенные ими расчеты и последующие опыты показали, что неожиданные квантовые помехи возникали в результате взаимодействия одного из двух фотонов с фоновым излучением, неупорядоченным потоком частиц света. Оно порождается Солнцем, теплыми предметами и другими природными и искусственными источниками электромагнитных волн, которые окружают нас и все объекты на Земле.

В прошлом физики считали, что это фоновое излучение просто мешает наблюдениям за эффектом, но не искажает результаты расчетов и экспериментов, что позволяло ученым просто «вычитать» фоновое излучение из полученных данных. Проведенные профессором Кусом и его коллегами опыты и расчеты показали, что это на самом деле не так, и это необходимо учитывать при проектировке фотонных квантовых компьютеров и систем связи, подытожили исследователи.