Еще один шаг на тернистом пути к полноценным квантовым информационным системам удалось сделать физикам из Бристольского университета в Великобритании. Там впервые реализовали квантово-оптические логические вентили непосредственно в кремниевом чипе.

Речь идет о реализации полностью оптического вентиля CNOT (контролируемое отрицание). У такого вентиля поступающий на вход кубит передается на выход неизменным, если на втором управляющем входе ноль, но изменяется на противоположный, если на управляющем входе единица. Ранее вентиль уже был реализован на лабораторном оптическом столе с помощью сложного набора зеркал, смесителей и делителей лучей, а также сопутствующего оборудования. Разумеется, о практическом использовании подобных конструкций никто и не помышлял. Теперь ученым удалось вместить сразу сотню таких вентилей в небольшой кремниевый чип, изготовленный с помощью обычной фотолитографии.

Громоздкую настольную конструкцию заменили шесть параллельных оптических волноводов из кварца размером 3,5х3,5 мкм, рассчитанных на излучение лазера с длиной волны 804 нм. Волноводы в чипе разнесены на десятки микрон, но на пяти отрезках некоторые из них попарно сближаются на расстояние порядка длины волны так, чтобы фотоны могли с заданной вероятностью туннелировать из одного волновода в другой. Похожие волноводные разделители лучей сегодня часто используют в оптическом телекоммуникационном оборудовании.

Если два летящих по соседним волноводам фотона одновременно попадают на участок сближения, то фотоны испытывают там квантовую интерференцию и "запутываются" между собой. Весь оптический вентиль CNOT работает довольно хитрым образом, трижды "перепутывая" фотоны из пар входных и управляющих волноводов.

Эксперименты показали, что чип получился удачным и вероятность успеха каждого квантового "запутывания" и других оптических процессов в нем более 92%. Тем не менее вероятность того, что весь вентиль сработает успешно, пока не превышает 11%. В принципе, эту трудность легко обойти, установив дополнительные волноводы для проверки успешности срабатывания вентиля. Над этим и над задачей интеграции излучателей и фотоприемников непосредственно в оптический чип ученые и трудятся сегодня.