Исследователи разработали квантовый транзистор на основе одного атома

Группа исследователей из Max Planck Institute of Quantum Optics, возглавляемая Герхардом Ремпе (Gerhard Rempe), разработала систему транзистора, основанную всего на одном атоме. Такое устройство получило название квантовый оптический транзистор (quantum optical transistor). В будущем разработку можно использовать в качестве основы квантового компьютера или квантовой сети данных.

Предложенный разработчиками процесс работы квантового оптического транзистора основан на технике комплексного управления светом, которая получила название электромагнитно-индуцированная прозрачность (EIT — electromagnetically induced transparency). Данный метод позволяет управлять свойствами луча света при помощи другого луча аналогично тому, как затворы в обычных транзисторах контролируют ток. В результате удалось создать работоспособный транзистор всего из одного атома. Ранее подобная техника требовала использования сотен и даже тысяч атомов в газе.

Как правило, в обычных условиях два лазерных луча никак не взаимодействуют друг с другом, но при определенных условиях их можно объединить. Исследователи начали с того, что разместили атом рубидия в оптическую полость, которая представляла собой два тонких зеркала, расстояние между которыми составляло 0,5 мм. Первоначально в полость был направлен лазерный луч таким образом, чтобы атом рубидия отражал его. После этого в полость был направлен другой лазерный луч отличной частоты, который получил название контролирующий лазер. Контролирующий лазерный луч падал под прямым углом по отношению к первому лазерному лучу. Путем изменения характеристик контролирующего лазера в определенных случаях достигается состояние прозрачности (condition of transparency), когда первый луч не отражается от атома рубидия, а проходит сквозь него. Таким образом, полость может пребывать в двух состояниях (прозрачном и непрозрачном) аналогично тому, как может пребывать в двух состояниях транзистор.

В идеальном случае квантовый оптический транзистор может обеспечивать коэффициент контрастности до 100% между двумя состояниями, однако на данный момент экспериментальные образцы способны обеспечить значение этого коэффициента лишь на уровне нескольких процентов, а достигнутый рекорд составляет 20%. Для повышения данного показателя требуется уменьшить размеры полости и повысить взаимодействие между фотонами и атомом в полости.

Исследователи отмечают, что в настоящее время практическое применение разработанной ими техники пока проблематично, однако через несколько десятилетий квантовый компьютер и квантовые сети могут стать реальностью.