Казанские ученые предложили новый подход к улучшению квантовой памяти
Ученые из Казанского квантового центра КНИТУ-КАИ предложили принципиально новый подход к реализации оптической квантовой памяти. Он придает новые физические свойства работе квантовой памяти и дает дополнительные способы улучшения ее основных физических параметров.
Квантовая память является ключевым компонентом в создании универсальных квантовых компьютеров и построении интернета будущего, она важна для увеличения дальности связи в системах квантового распределения секретных ключей. Носителями квантовых состояний являются фотоны — мельчайшие частицы света, несущие энергию и импульс, а стационарными кубитами (аналог компьютерного бита в квантовом мире), которые сохраняют квантовые состояния, служат атомы — например редкоземельные ионы в кристаллах. Устройство для хранения произвольных квантовых состояний фотонных кубитов в течение заданного времени, называется оптической квантовой памятью
Казанские ученые предложили новый подход в разработке протоколов оптической квантовой памяти, позволяющий избежать ряда ограничений традиционных протоколов. Для этого они использовали макроскопическую когерентность — одно из свойств атомного ансамбля, благодаря которому возникает упорядоченность и согласованность поведения большого числа элементов вещества в макроскопических масштабах.
В традиционных протоколах оптической квантовой памяти атомы изначально готовятся в одном из долгоживущих квантовых состояний. Затем в ячейку квантовой памяти запускается сигнальный импульс, который, поглощаясь, сохраняется в состоянии атомной когерентности, которая возбуждается в системе атомов. Извлечение сигнала в заданный момент времени из ячейки осуществляется путем последующего управления атомной когерентностью с помощью дополнительных классических интенсивных лазерных полей. Однако в таком подходе есть свои ограничения. Например, квантовые сигналы на уровне одиночных фотонов трудно выделить из фонового шума, вызванного сильными лазерными импульсами, управляющими системой. Более того, в таком подходе не используются макроскопическая когерентность, которая может создаваться в квантовой памяти на других степенях свободы поведения атомов и могла бы использоваться в ее работе.
Ученые КНИТУ-КАИ предложили использовать такую когерентность в работе оптической квантовой памяти, предварительно создавая в ней долгоживущую спиновую когерентность с заданными физическими свойствами. Отличие подобного состояния — во времени жизни, существенно превосходящем характерные времена релаксации спиновой намагниченности. Исследователи показали, что управление параметрами макроскопической когерентности дает возможность управлять извлечением сохраненных в ячейке световых полей без использования внешнего лазерного воздействия.
Предлагаемый подход придает новые физические свойства работе квантовой памяти и дает дополнительные способы улучшения ее основных физических параметров, а полученные результаты выводят направление разработки протоколов оптической квантовой памяти на новый уровень.
Исследование выполнено при поддержке Минобрнауки России в рамках государственного задания.