Физики нашли способ «программировать» атомы светом без магнитных полей — прорыв для квантовых вычислений
Группа исследователей с физического факультета Вильнюсского университета представила теоретическую модель, которая позволяет предварительно «программировать» атомы с помощью света, полностью исключая необходимость во внешних магнитных полях. Это принципиально новый подход к управлению квантовыми системами.
Идея заключается в следующем: световой пучок сначала задаёт атомам определённое состояние, а затем эта заранее подготовленная атомная среда начинает активно менять форму и поляризацию сложных лазерных пучков. Ключевой элемент модели — оптические вихри, то есть пучки со спиральной структурой волнового фронта. В их центре интенсивность падает до нуля, образуя тёмную область. Размер этой области определяется топологическим зарядом, который, как подчёркивают авторы, не имеет ограничений и может принимать любые целые значения — как положительные, так и отрицательные.
На практике это означает, что можно получить до 10 000 различных состояний. Вместо привычных кубитов, которые оперируют только двумя состояниями, здесь речь идёт о кудитах — многоуровневых единицах квантовой информации. Это открывает колоссальные возможности для кодирования данных.
Для управления векторными вихрями учёные смоделировали взаимодействие пучка с атомным газом, где атомы имеют три энергетических уровня. В такой среде подготовленный газ «запоминает» пространственный рисунок света: в одних областях атомы начинают активно поглощать излучение, в других — становятся почти прозрачными. Далее возникает эффект обратной связи: атомный отклик перестраивает сам пучок, превращая простую кольцевую структуру в сложный лепестковый рисунок с несколькими яркими областями вокруг центра. При этом поляризационная структура пучка также претерпевает изменения.
Ранее подобный контроль требовал мощных внешних магнитных полей и громоздкого оборудования. Новая модель устраняет эту зависимость, что кардинально упрощает потенциальные экспериментальные установки.
Теоретически эта разработка прокладывает путь к созданию более быстрых квантовых процессоров, высокозащищённых квантовых коммуникационных сетей и сверхточных оптических датчиков.
Аналитический комментарий Cryptalist: Этот подход выглядит особенно перспективным на фоне недавних успехов в области квантового железа. Например, всего несколько дней назад Sandia National Laboratories и Quantinuum опубликовали рецензируемую работу по 98-кубитному квантовому компьютеру Helios. Однако масштабирование кубитов — это лишь половина дела. Умение управлять кудитами без магнитных полей может стать тем самым недостающим звеном, которое переведёт квантовые вычисления из лабораторной экзотики в инженерную реальность. Следим за развитием.