Российские физики придумали, как создавать треугольные и прямоугольные лазерные импульсы — это улучшит управление квантовыми схемами

Ученые из Санкт-Петербурга совершили прорыв в оптике, который может кардинально ускорить развитие квантовых вычислений. Они нашли способ формировать световые импульсы нестандартной — прямоугольной и треугольной — формы. Это открытие дает в руки инженерам принципиально новый инструмент для сверхточного управления кубитами, на которых строятся квантовые компьютеры будущего.

Новый метод управления светом: от синусоиды к трапеции

Традиционно считается, что напряженность электромагнитного поля в световом импульсе меняется по синусоидальному закону. Исследователи из СПбГУ и ФТИ им. А.Ф. Иоффе теоретически доказали, что это не является аксиомой. Ключ к изменению формы импульса лежит в создании среды с неравномерной плотностью.

В ходе моделирования физики пропускали два сверхкоротких (фемтосекундных) импульса через газообразный натрий. Первый импульс возбуждал атомы, второй — останавливал их колебания. Этот процесс генерировал специфический отклик поля. Однако настоящий эффект был достигнут, когда ученые изменили саму среду.

Как работает «печать» формы на свете

Авторы работы создали в модели среду, плотность которой менялась по трапециевидному закону: плавный подъем, затем ровное плато и спад. Когда через такую структуру проходили импульсы, на выходе получался свет строго прямоугольной формы. Если же профиль подъема и спада плотности делали не линейным, а параболическим, форма импульса становилась треугольной.

«Мы теоретически показали, что, меняя распределение плотности в среде, через которую проходит оптический импульс, можно управлять его формой. Далее предстоит экспериментально проверить наши выводы», — комментирует руководитель проекта Ростислав Архипов, кандидат физико-математических наук из СПбГУ.

В 2023 году та же группа исследователей уже демонстрировала возможность управления формой одиночных оптических импульсов. Нынешняя работа является логическим продолжением, предлагая более гибкий и технологичный подход, основанный на структурировании самой среды, а не на сложной настройке источника излучения.

Возможность генерировать световые импульсы с произвольной формой огибающей — это не просто лабораторный курьез. В квантовых компьютерах кубиты (атомы, ионы или электроны) чрезвычайно чувствительны к внешнему воздействию. Чем точнее форма управляющего импульса, тем выше точность квантовых операций и меньше ошибок. Прямоугольные и треугольные импульсы могут обеспечить более резкое и контролируемое переключение состояний кубитов по сравнению с плавными синусоидальными сигналами, что потенциально способно повысить стабильность и производительность квантовых процессоров.