Ученые создали «квантовую флейту», которая может заставить фотоны двигаться синхронно и взаимодействовать друг с другом, чего они почти никогда не делают в природе. Устройство может помочь улучшить будущие конструкции квантовых компьютеров. Исследование было опубликовано в двух статьях, в журналах Physical Review Letters и Nature Physics.

Как и одноименный музыкальный инструмент, «квантовая флейта» команды представляет собой кусок металла с длинной полостью посередине, доступ к которой имеет ряд отверстий с поверхности. Но это устройство предназначено не для звуковых волн, а для света.

«Точно так же, как в музыкальном инструменте, вы можете послать одну или несколько длин волн фотонов через все это, и каждая длина волны создает «ноту», которую можно использовать для кодирования квантовой информации», - сказал Дэвид Шустер, ведущий автор исследования.

В своих экспериментах с устройством исследователи смогли контролировать взаимодействие до пяти нот или кубитов одновременно, используя сверхпроводящую электрическую цепь в качестве главного кубита. Это показывает, что если систему масштабировать, это может значительно упростить управление будущими квантовыми компьютерами.

«Если бы вы хотели создать квантовый компьютер с 1000 битами и могли бы управлять всеми ими с помощью одного бита, это было бы невероятно ценно», - сказал Шустер.

«Квантовая флейта» - это кусок металла с просверленными в нем отверстиями, который может улавливать и манипулировать фотонами разных длин волн для кодирования квантовой информации. Но, возможно, самое странное в этой «квантовой флейте» то, что она работает, манипулируя фотонами, чтобы делать то, что они редко делают в природе. Эти частицы света обычно не взаимодействуют друг с другом, то есть они проносятся мимо или даже сквозь друг друга. При определенных условиях их иногда можно заставить взаимодействовать парами, но в новом устройстве команде удалось заставить все фотоны взаимодействовать друг с другом одновременно, после того как энергия в системе достигает критической точки.

«Обычно большинство взаимодействий частиц происходит один на один - две частицы отскакивают или притягиваются друг к другу. Если вы добавите третью, они, как правило, по-прежнему последовательно взаимодействуют друг с другом. Но в этой системе все они взаимодействуют одновременно», - сказал Шустер.

Команда говорит, что наряду с развитием квантовых компьютеров такое необычное групповое поведение может открыть новые способы изучения физики и других квантовых явлений, которые раньше, возможно, не наблюдались.