Исследователи из Университета науки и технологий Китая продемонстрировали новый метод хранения и извлечения квантовой информации, о котором сообщается в журнале National Science Review. Эта инновация может проложить путь к созданию крупномасштабных квантовых сетей, преодолевая одну из ключевых проблем в этой области: потери при передаче информации на большие расстояния.
Квантовая память — важнейший компонент квантовых коммуникаций и вычислений, выступающий в качестве устройства, хранящего и синхронизирующего квантовую информацию. Традиционно квантовая запутанность на коротких расстояниях не могла быть эффективно связана на больших расстояниях из-за потерь фотонов при передаче.
«Фотонные интегрированные квантовые памяти необходимы для создания масштабируемых квантовых сетей», — отмечают исследователи в своей работе. Однако, используя технику, известную как спин-волновая квантовая память, исследователи открыли метод увеличения времени хранения и повышения надежности, что стало возможной вехой в развитии квантовых технологий.
Спин-волновая квантовая память — это метод, который позволяет хранить частицы света, называемые фотонами, в уникальных свойствах специальных кристаллов, изготовленных на основе редкоземельных элементов. Эти кристаллы известны тем, что исключительно хорошо хранят квантовую информацию. Этот метод позволяет извлекать сохраненную информацию в любой момент, когда это необходимо, и хранить ее гораздо дольше, чем традиционные методы.
Однако спин-волновое хранение информации сталкивается с серьезной проблемой: крошечные квантовые сигналы трудно выделить из фонового шума, вызванного сильными лазерными импульсами, управляющими системой. Этот шум затрудняет эффективное использование спин-волновой памяти в компактных полупроводниковых устройствах. До сих пор ни одно такое интегрированное устройство не могло успешно реализовать эти методы хранения данных.
Под руководством профессоров Чуань-Фенг Ли и Зонг-Куан Чжоу исследовательская группа разработала новое решение, используя специализированное устройство, изготовленное по технологии фемтосекундной лазерной записи.
Такой подход позволил создать циркулярно-симметричный волновод внутри кристалла ортосиликата иттрия, легированного европием, — редкоземельного кристалла, используемого в аналогичных исследованиях. Уникальная конструкция позволила фильтровать шумы на основе поляризации, эффективно подавляя нежелательные сигналы и сохраняя целостность хранимой квантовой информации.
Чтобы сделать свою систему более эффективной, команда использовала несколько приемов для уменьшения шума, таких как контроль времени, фильтрация определенных цветов света и специальная установка, которая посылала сигналы и управляющие импульсы в противоположных направлениях. Эти методы помогли отделить слабые квантовые сигналы от более сильных лазерных импульсов, что позволило более эффективно хранить и извлекать сигналы.
Исследователи протестировали два способа хранения квантовой информации: один из них называется «бесшумное фотонное эхо» (NLPE), а другой - «атомная частотная гребенка» (AFC). Они обнаружили, что метод NLPE в четыре раза эффективнее, чем AFC, так как позволяет кристаллу работать с максимальной отдачей. Самое впечатляющее, что их устройство может хранить и извлекать квантовую информацию с надежностью 94,9%, что намного лучше, чем у любой традиционной технологии.
Это достижение представляет собой «долгожданную цель» в области исследований квантовой памяти, как отмечают исследователи в своей статье. Интегрированная спин-волновая квантовая память не только закладывает основу для мультиплексированных квантовых ретрансляторов, необходимых для создания крупномасштабных квантовых сетей, но и открывает путь к квантовой памяти большой емкости и транспортабельности.
По мере развития квантовой эры подобные инновации приближают нас к реализации потенциала квантовых сетей, обещающих более быстрые и безопасные системы связи.