Ученые создали массово воспроизводимый миниатюрный квантовый элемент памяти

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.

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.

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.