Доплеровская «гребенка»: ученые создали рентгеновскую квантовую память

В последние годы квантовые технологии, основанные на манипуляции отдельными частицами света — фотонами, приобретают все большую значимость. Одной из ключевых задач в этой области является разработка надежных квантовых ячеек памяти, способных хранить и извлекать фотоны, сохраняя при этом их хрупкие квантовые свойства. Эти ячейки памяти, подобно миниатюрным сейфам для квантовой информации, играют решающую роль в создании квантовых компьютеров, защищенных линий связи и других перспективных устройств.

До настоящего времени квантовые ячейки памяти были ограничены оптическим диапазоном, работая с фотонами видимого света. Однако последние достижения в области рентгеновской квантовой оптики открывают захватывающие возможности для расширения этой технологии в область жесткого рентгеновского излучения.

Группа ученых из Германии и США продемонстрировала инновационный подход к созданию квантовой памяти для рентгеновских фотонов, основанный на использовании ядер железа-57. Секрет этой технологии кроется в применении эффекта Доплера — явления, хорошо известного нам по изменению тона сирены скорой помощи при ее приближении и удалении.

Исследователи создали систему, состоящую из нескольких поглотителей, содержащих железо-57, каждый из которых движется с определенной скоростью. За счет эффекта Доплера частота резонансного поглощения ядер в каждом из поглотителей смещается, формируя «гребенку» в спектре поглощения. Эта гребенка действует подобно ловушке, захватывая рентгеновские фотоны и позволяя им взаимодействовать с ядрами железа. В результате фотоны сохраняются в виде коллективного возбуждения ядерной системы, образуя так называемый ядерный поляритон.

Для проверки работоспособности квантовой памяти ученые использовали тонкую пленку, действующую как рентгеновская полость. Эта полость генерирует фотоны в режиме, близком к одиночным, то есть в виде слабого когерентного состояния с очень малым средним числом фотонов. При прохождении через систему движущихся поглотителей фотоны из полости взаимодействуют с ядерной гребенкой и «записываются» в квантовую память. Спустя некоторое время, определяемое параметрами гребенки, фотоны «считываются» обратно, демонстрируя возможность хранения и извлечения рентгеновского излучения.

Результаты экспериментов показали, что квантовая память на основе ядер железа-57 способна хранить рентгеновские фотоны в течение времени, значительно превышающего длительность исходного импульса. Эффективность хранения, то есть доля фотонов, успешно извлеченных из памяти, достигает значительных величин, сравнимых с эффективностью оптических квантовых ячеек памяти. Несмотря на то, что точность воспроизведения формы хранимого импульса пока не достигает уровня, необходимого для полноценного квантового компьютера, исследователи уверены, что дальнейшая оптимизация системы позволит повысить этот показатель.

Этот прорыв открывает новые горизонты для квантовых технологий. Хранение информации в рентгеновском диапазоне, который характеризуется гораздо более короткими длинами волн по сравнению с видимым светом, позволяет создавать более компактные и универсальные устройства. Кроме того, рентгеновское излучение обладает высокой проникающей способностью, что может быть полезно для создания квантовых сетей связи.

В будущем рентгеновская квантовая память может найти применение в самых разных областях, включая квантовую криптографию, где требуется надежное хранение и передача секретных ключей, а также создание новых источников одиночных фотонов «по требованию». Это исследование — важный шаг на пути к технологиям будущего, которые, несомненно, изменят наш мир.