Сегодня большинство квантовых устройств требуют охлаждения практически до абсолютного нуля. Для работы квантовых компьютеров, сенсоров и систем защищенной связи используются сложные криогенные установки стоимостью в миллионы долларов, что существенно ограничивает возможности их массового применения. Именно поэтому создание квантовых материалов, сохраняющих свои свойства при обычных условиях, считается одним из ключевых направлений современной физики конденсированного состояния.
Новая разработка решает сразу две задачи. Во-первых, материал демонстрирует квантовые свойства при комнатной температуре. Во-вторых, он способен выполнять функцию своеобразного оптического сортировщика, разделяя световые частицы по их квантовым характеристикам.
Если провести аналогию с обычной оптикой, то современные призмы разделяют белый свет на составляющие его цвета. Новый материал выполняет значительно более сложную операцию — он разделяет фотоны по их квантовым состояниям. Это позволяет выделять необходимые световые сигналы без применения дополнительных сложных оптических компонентов.
Особенность технологии заключается в использовании уникальной структуры материала, взаимодействующей со светом на нанометровом уровне. При прохождении через него фотоны приобретают различные траектории движения в зависимости от своих квантовых свойств. Подобный эффект открывает возможность создания принципиально новых фотонных устройств для обработки информации.
Разработка может стать важным шагом для всей индустрии квантовых коммуникаций. Одним из наиболее перспективных направлений развития квантовых технологий сегодня считается создание глобальных сетей передачи данных, защищенных законами квантовой механики. В отличие от традиционного шифрования, безопасность квантовой связи обеспечивается фундаментальными физическими принципами: попытка перехвата информации неизбежно изменяет состояние передаваемых фотонов и может быть обнаружена получателем.
Проблема заключается в том, что существующие квантовые системы связи остаются чрезвычайно сложными и дорогостоящими. Они требуют использования специальных лазеров, сверхчувствительных детекторов и зачастую работают только при низких температурах. Возможность манипулировать квантовыми состояниями света в обычных условиях способна значительно упростить подобные решения.
Еще одним потенциальным направлением применения нового материала могут стать фотонные квантовые компьютеры. В отличие от сверхпроводниковых квантовых процессоров, использующих кубиты на основе электрических схем, фотонные системы выполняют вычисления с помощью света. Их преимуществами считаются высокая скорость передачи информации, низкое энергопотребление и возможность работы при комнатной температуре.
Именно поэтому крупнейшие игроки квантовой индустрии активно инвестируют в развитие фотонных архитектур. Многие специалисты рассматривают их как одного из главных конкурентов сверхпроводниковых квантовых компьютеров в долгосрочной перспективе.
Разработка исследователей может оказаться особенно востребованной для создания компактных квантовых устройств на основе интегральной фотоники — технологии, предполагающей размещение оптических компонентов непосредственно на полупроводниковых чипах. Сегодня подобные решения рассматриваются как один из наиболее реалистичных путей масштабирования квантовых вычислительных систем и создания квантового интернета.
Авторы работы подчеркивают, что технология находится на раннем этапе развития и до появления коммерческих продуктов могут пройти годы. Однако сам факт демонстрации квантового управления светом при комнатной температуре является важным достижением для отрасли. Если материал удастся адаптировать для массового производства, он позволит существенно уменьшить размеры, стоимость и энергопотребление будущих квантовых устройств.
