Квантовые приборы и системы

Что такое квантовая оптика, квантовые технологии и квантовая фотоника?

Квантовая оптика — это область исследований, которая занимается применением квантовой механики к явлениям, связанным со светом и его взаимодействием с материей. Одна из основных целей — понять квантовую природу информации и научиться ее формулировать, манипулировать и обрабатывать с помощью физических систем, работающих на принципах квантовой механики.

Квантовая оптика имеет практические применения (квантовые технологии), как например квантовая криптография, использующая квантовые эффекты для безопасной передачи информации, или квантовая метрология. Прикладные области также называются квантовой фотоникой, являющейся областью квантовых технологии. Для этих областей характерны следующие типы продуктов: источники одиночных фотонов, детекторы одиночных фотонов, оптические ловушки и пр.

Квантовая фотоника — это наука и технология, использующие квантовую оптику для определенных применений, в которых квантовые эффекты играют существенную роль:

• В квантовых коммуникациях используются, например, теорема о запрете клонирования для предотвращения необнаруженного подслушивания
• В квантовых вычислениях информацию кодируют квантовыми битами (кубитами), как линейные суперпозиции между двумя состояниями фотона или атома. (Напротив, классический бит всегда может находиться только в одном из двух состояний, а не в суперпозиции.) Если используется комбинация кубитов, это может быть суперпозицией состояний
  
• Более общей областью является квантовая обработка информации, которая включает не только квантовые вычисления, но и связанные с ними технологии, такие как квантовая коррекция ошибок, квантовая криптография и квантовая телепортация
  

В то время как квантовая оптика служит основной фундаментальной наукой, квантовая фотоника обозначает ее технологическое использование. Ее также можно было бы назвать прикладной квантовой оптикой.

Как правило, приложения квантовой фотоники включают генерацию, манипулирование и обнаружение света и материи с контролем на квантовом уровне, часто с участием отдельных фотонов. Существенную роль играет также взаимодействие света с веществом, например, с отдельными атомами или ионами в оптической ловушке или с квантом. Можно также использовать квантовую запутанность, например. между фотонами внутри пар фотонов или между атомами, или между фотонами и атомами. По сравнению с атомами и ионами фотоны имеют то преимущество, что демонстрируют гораздо более слабые тенденции к потере квантовой когерентности, поскольку они гораздо меньше реагируют на внешние воздействия, такие как электрические и магнитные поля. Кроме того, ими можно относительно легко манипулировать. Однако взаимодействие с материей часто требуется для важных этапов обработки.

В то время как некоторые области квантовой фотоники уже достигли состояния, при котором стали возможны первые практические приложения — в частности, это верно для некоторых аспектов квантовых коммуникаций, таких как квантовая криптография, — другие области, такие как квантовые вычисления, все еще находятся в стадии интенсивного изучения, поиска практических реализаций. Это включает в себя разработку относительно надежных миниатюрных устройств: источники одиночных фотонов, квантовые вентили и квантовая память. Разработка может привести к созданию технологии, аналогичной классическим фотонным интегральным схемам, способной выполнять сложные функции в сравнительно небольшом объеме и обладающей хорошей технологичностью. Однако необходимо преодолеть серьезные технологические препятствия. Например, основные части развитой технологии квантовых вычислений не масштабируются до большего числа кубитов; становится чрезвычайно трудно избежать разного рода процессов, вызывающих квантовую декогеренцию. Поэтому дальнейшие исследования и разработки должны не только оптимизировать различные виды компонентов для квантовой фотоники, но и разработать более совершенные концепции и принципы.