Ученые создали массово воспроизводимый миниатюрный квантовый элемент памяти

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Мнение | Наука и космос

Квантовые технологии открывают новые горизонты для связи, вычислений и измерений. Однако для их реализации необходимо создать квантовые сети, которые могут передавать и обрабатывать квантовую информацию на больших расстояниях.

Основой квантовых сетей являются фотоны — частицы света, которые могут нести квантовую информацию в виде квантовых состояний, таких как спин или поляризация. Фотоны могут быть использованы для квантовой криптографии, которая обеспечивает абсолютную безопасность передачи сообщений, или для квантовых вычислений, которые позволяют решать задачи, недоступные для классических компьютеров.

Фотоны могут храниться и извлекаться в стеклянной ячейке, которая заполнена атомами рубидия и имеет размер всего несколько миллиметров
Автор: University of Basel, Department of Physics/Scixel Источник: phys.org

Однако фотоны имеют и недостатки: они легко теряются или рассеиваются в оптоволоконных кабелях или воздухе, а также подвержены воздействию шума и помех. Поэтому для эффективной работы квантовых сетей нужно иметь способ временно сохранять и впоследствии извлекать квантовую информацию из фотонов. Это можно сделать с помощью квантовой памяти — устройства, которое может хранить квантовое состояние фотона и восстанавливать его по запросу.

Квантовая память для фотонов представляет собой сложный физический объект, который должен удовлетворять ряд требований. Она должна быть способна захватывать и отпускать фотоны с высокой эффективностью, сохранять квантовое состояние фотона с высокой точностью, работать на широком спектре частот, быть совместимой с оптоволоконной связью, а также быть дешевой и легко масштабируемой.

Существует множество различных подходов к реализации квантовой памяти для фотонов, использующих разные физические системы, такие как атомы, ионы, молекулы, кристаллы, сверхпроводники и т. д. Одним из наиболее перспективных является подход, основанный на использовании атомов в стеклянной ячейке.

Исследователи из Университета Базеля под руководством профессора Филиппа Тройтляйна разработали такой тип квантовой памяти, который может быть микрофабрицирован и, следовательно, подходить для массового производства. Их результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Вид спереди (а) и сбоку (б) на элемент квантовой памяти. Цветные стеклянные фильтры для поглощения нагревающих лазеров облицовывают ячейку. (c) Ферромагнитные сердечники электромагнита ограничивают физический и оптический доступ вблизи ячейки. (d) Энергетические уровни 87Рб во внешнем поле и Λ схема, используемая для атомарной памяти. Расщепление и развязка энергии J и Я получить «чистую» трехуровневую систему в доплеровском расширенном 87Рб D2 линия. Сигнальное и управляющее поля находятся на двухфотонном резонансе с расстройкой Δ=−2πx750 МГц В отношении |e⟩
Автор: Roberto Mottola, Gianni Buser, and Philipp Treutlein Phys. Rev. Lett. 131, 260801 Источник: journals.aps.org

Для создания квантовой памяти они использовали атомы рубидия, запаянные в крошечную стеклянную ячейку размером всего несколько миллиметров. Рубидий — это химический элемент, который имеет один неспаренный электрон на внешней оболочке. Этот электрон может находиться в разных квантовых состояниях, которые зависят от направления его спина и от внешнего магнитного поля. Эти состояния могут быть использованы для хранения квантовой информации.

Для того, чтобы связать квантовое состояние фотона с квантовым состоянием атома, исследователи использовали эффект электромагнитно-индуцированной прозрачности. Этот эффект заключается в том, что атомы, которые обычно поглощают свет на определенной частоте, становятся прозрачными для этого света, если на них действует другой лазерный луч. При этом световой импульс замедляется и сжимается в пространстве, что позволяет его полностью поместить внутрь ячейки. Затем, выключая лазерный луч, можно заставить атомы излучить световой импульс обратно, восстанавливая квантовое состояние фотона.

Для того, чтобы увеличить количество рубидиевых атомов в ячейке, исследователи нагрели ее до 100° по Цельсию, что привело к повышению давления пара внутри ячейки. Кроме того, они подвергли ячейку сильному магнитному полю в 1 тесла, что сдвинуло атомные уровни энергии таким образом, что упростило процесс хранения фотонов.

Используя этот метод, исследователи смогли хранить фотоны в ячейке около 100 наносекунд. За это время свободные фотоны преодолели бы расстояние в 30 метров. Это достаточное время для того, чтобы синхронизировать и маршрутизировать фотоны в квантовой сети.

Исследователи утверждают, что их квантовая память имеет ряд преимуществ перед другими типами квантовой памяти. Она может быть произведена на подложке, на которой можно разместить около 1000 ячеек, что значительно снижает стоимость и увеличивает масштабируемость. Она также совместима с оптоволоконной связью, так как работает на тех же частотах, что и оптоволоконные лазеры. Кроме того, она может хранить фотоны с разной поляризацией, что увеличивает количество квантовой информации, которое можно передать.

В будущем исследователи планируют оптимизировать формат и размер ячеек, чтобы увеличить время хранения фотонов и сохранить их квантовые состояния как можно лучше. Они также хотят продемонстрировать хранение одиночных фотонов в ячейках, что является более сложной и важной задачей для квантовых технологий.

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Семь в одном. Обзор USB-C док-станции Rapoo XD71

Нынешние ноутбуки все больше становятся похожими на планшеты, лишаясь зачастую самых нужных портов. Вернуть привычные возможности позволяет док-станция Rapoo XD71 с двумя портами USB-A, картридером...

Мал, да удал. Обзор компактного аккумуляторного инструмента: 3-дюймовая УШМ под 18V батареи

Аккумуляторная угловая шлифовальная машина ONEKFYFD, на которую можно установить диски/насадки 75 мм (3″). Выручает в мелких работах, например, по сантехнике и электрике, удобная для работы...

Как выглядела Вселенная в первые микросекунды: на Большом адронном коллайдере доказали жидкую природу первичной материи

Как изучать свойства материи, которая существовала лишь в первые микросекунды после Большого взрыва? Это состояние называется кварк-глюонной плазмой. В обычных условиях нашего мира кварки и...

Возможна ли жизнь без воды: как экзотические растворители расширяют границы обитаемой Вселенной

Вся современная астробиология построена на одном правиле: для возникновения и поддержания жизни необходима жидкая вода. Этот принцип определяет цели всех космических миссий, архитектуру...

Парадокс стакана воды: почему мы боимся таяния не тех ледников и откуда реально придет потоп

Белые медведи ни при чем. Разбираем сухие физические факты: почему тающий Северный Ледовитый океан не затопит города, куда делись 9 триллионов тонн горного льда и что происходит с Гренландией.

Ловушка «чемодана без ручки»: почему нам так страшно бросить то, что давно пора бросить

Продолжаем изучать ментальные приемы, которые помогают нам принимать верные решения и делают нас более эффективными. Сегодня поговорим про ловушку невозвратных затрат. Рассмотрим примеры и решения.