Квантовая фотоника: применения

Что такое квантовая фотоника

Квантовая фотоника — это область науки и технологий, которая использует принципы фотоники и, в частности, квантовой оптики для создания приложений, где ключевую роль играют квантовые эффекты.

Обработка квантовой информации

В различных областях применения квантовая фотоника включает методы обработки квантовой информации.

Как правило, кубиты (единицы квантовой информации) представляют собой суперпозиции квантовых состояний, при этом квантовая запутанность часто играет решающую роль.

• На первом этапе создаются подходящие квантовые состояния, несущие информацию.
• Затем исследуется их эволюция — например, фотоны проходят через оптические элементы (делители пучков, фазовые пластинки), а их квантовые состояния взаимодействуют в интерферометрах.
  Эти операции реализуют квантовые логические элементы (гейты), которые обрабатывают один или несколько кубитов аналогично тому, как логические элементы классических компьютеров работают с битами. Квантовые гейты могут выполнять инверсию и вращения кубитов, а также создавать запутанность между ними.
• После когерентной эволюции квантовые состояния измеряются — например, путём разрушительного детектирования фотонов.

Применения квантовой фотоники

Квантовые коммуникации

Квантовые коммуникации используют квантовые эффекты для передачи информации с высокой степенью защиты. Технологии, такие как квантовое распределение ключей (Quantum Key Distribution, QKD), основаны на теореме о невозможности клонирования, которая гарантирует, что «подслушивание»2 не останется незамеченным.

Другие методы включают квантовую телепортацию, применяемую, например, в квантовых ретрансляторах. Если классические оптические сигналы усиливаются с помощью, например, эрбиевых волоконных усилителей, то для передачи квантовых состояний требуются более сложные технологии, основанные на квантовой запутанности. Таким образом, квантовые коммуникации используют широкий спектр методов квантовой обработки информации.

Квантовые вычисления

В квантовых вычислениях информация кодируется с помощью кубитов, представляющих собой линейные суперпозиции двух состояний квантового объекта (например, фотона или атома). Иногда информация хранится в запутанных состояниях нескольких квантовых объектов. В отличие от этого, классический бит может находиться только в одном из двух состояний.

Если используется комбинация нескольких кубитов, система может существовать в суперпозиции большого числа состояний. Когерентная эволюция таких кубитов при контролируемых условиях зависит от всех возможных состояний системы и позволяет выполнять вычисления значительно быстрее, чем классические компьютеры.

Так, например, квантовые алгоритмы позволяют эффективно выполнять разложение чисел на простые множители, что делает уязвимыми многие современные криптографические системы, устойчивые к классическим методам взлома. Квантовые вычисления включают как цифровые реализации (квантовые гейты, измерения), так и аналоговые подходы — квантовое моделирование, квантовый отжиг (quantum annealing) и адиабатические вычисления. Фотоника рассматривается как одна из наиболее перспективных платформ наряду с альтернативными технологиями, например, сверхпроводниковыми квантовыми схемами.

Квантовое моделирование

Квантовое моделирование (quantum simulation) — это использование квантовых систем (универсальных квантовых компьютеров или специализированных аналоговых устройств) для изучения поведения сложных квантовых явлений, которые невозможно точно смоделировать на классических компьютерах.

Эта возможность основана на ключевых принципах квантовой механики — суперпозиции, запутанности и интерференции. Многие природные и искусственные системы — молекулы, материалы, конденсированные среды, атомные ядра, а также объекты высокоэнергетической физики — подчиняются квантовым законам. По мере увеличения числа частиц количество возможных квантовых состояний растёт экспоненциально, что делает классические вычисления практически невозможными.

Ричард Фейнман одним из первых предположил, что лучший способ моделировать квантовые системы — использовать сами квантовые устройства. Причём система, выполняющая моделирование, может отличаться по физической природе от исследуемой, но при этом сохраняет её ключевую структуру и гораздо удобнее для реализации.

Существуют также программные симуляторы квантовых алгоритмов, работающие на классических процессорах, однако они способны имитировать лишь небольшие квантовые системы (до нескольких десятков кубитов) из-за экспоненциального роста потребления памяти. Тем не менее, такие симуляции полезны для тестирования, отладки и прототипирования квантовых алгоритмов.

Квантовые сенсоры

Чувствительность многих измерений ограничена квантовыми эффектами. Традиционные методы, например, в интерферометрии, часто достигают лишь стандартного квантового предела (Standard Quantum Limit, SQL). Квантовое детектирование (quantum sensing) стремится преодолеть эти ограничения за счёт активного управления квантовыми состояниями и использования запутанности, суперпозиции и квантовых корреляций.

Характерный пример — применение сжатых состояний света (squeezed states), в которых квантовый шум одной переменной (например, фазы) уменьшается ниже стандартного предела за счёт увеличения шума сопряжённой переменной (амплитуды). При вводе таких состояний в интерферометры повышается чувствительность фазовых измерений, что позволяет обнаруживать чрезвычайно слабые сигналы, скрытые квантовым шумом в обычных системах.

Практическое значение квантовой сенсорики наглядно проявляется в детекторах гравитационных волн LIGO и Virgo, где использование сжатого света позволило достичь беспрецедентной чувствительности к слабейшим искажениям пространства-времени.

Кроме того, квантовые методы находят применение в других областях:

• Оптические атомные часы достигают рекордной точности благодаря запутанным состояниям больших ансамблей атомов и использованию сжатого света.
• Квантовые магнитометры позволяют измерять сверхслабые магнитные поля с высокой точностью.
• Медицинская визуализация и спектроскопия выигрывают от применения квантовых стратегий повышения контрастности.
• Датчики силы и смещения, ограниченные фундаментальными квантовыми законами, также могут быть усовершенствованы с использованием квантовых эффектов.

Квантовая литография

Разрешение в классической оптической литографии ограничено дифракционным пределом — примерно половиной длины волны используемого света. Традиционный способ повышения разрешения — переход на более короткие длины волн, вплоть до экстремального ультрафиолета (EUV).

Квантовая литография исследует возможность преодоления этого барьера с помощью квантовых методов сверхразрешения (superresolution). В теории использование запутанных N-фотонных состояний (например, NOON-состояний) позволяет достичь разрешения порядка λ / N.

Однако реализация таких технологий требует решения сложных задач:

• создания ярких, стабильных источников квантового света с заданными параметрами;
• разработки фоточувствительных материалов, рассчитанных на многоквантовое поглощение и нечувствительных к однофотонным процессам;
• возможности формирования произвольных сложных двумерных структур, а не только простых линий и точек.

Заключение

Таким образом, квантовая фотоника демонстрирует огромный потенциал в качестве технологии нового поколения. Она уже сегодня обеспечивает беспрецедентную безопасность связи, открывает путь к сверхбыстрым вычислениям и позволяет создавать сенсоры рекордной точности. Несмотря на существующие технологические сложности, прогресс в этой области очевиден. От квантовых компьютеров до сверхчувствительных детекторов — применение технологий квантовой фотоники продолжит менять технологический ландшафт.