Международная группа учёных сообщила о создании основ для первой в мире квантовой памяти, работающей в рентгеновском диапазоне. В перспективе это позволит разработать более плотную и помехоустойчивую память для квантовых компьютеров, которые сегодня ограничены по времени для проведения квантовых операций. Переход на «рентгеновскую» память увеличит время хранения квантовых состояний, что приблизит практическую ценность квантовых вычислений.
Иллюстрация гребенки ядерных частот, отображающей одиночные фотоны, визуализированные в логарифмической шкале. Источник изображения: DESY/Sven Velten
Современные модели квантовой памяти, если говорить о фотонах, предполагают взаимодействие света и атомов. Некоторое время назад группа профессора Техасского университета A&M Ольги Кочаровской предложила перейти на новый способ хранения и высвобождения импульсов рентгеновского излучения на уровне одного фотона, когда фотон воздействует не на атом, а непосредственно на его ядро.
В новом исследовании группа учёных Техасского университета A&M (Texas A&M University) и их коллеги из Германии и Франции воспользовались теоретическими наработками группы Кочаровской и провели эксперимент, доказавший осуществимость идеи, о чём они сообщили в статье в журнале Science Advances.
Удержать неподвижно свет (фотон) — произвести своего рода запись информации — это трудноосуществимая задача. Сделать это можно с помощью таких квазистационарных состояний, как спиновая или поляризационная волна.
«Квантовая память является незаменимым элементом квантовой сети, обеспечивающим хранение и извлечение квантовой информации, — пояснила Кочаровская. — Фотоны являются быстрыми и надежными носителями квантовой информации, но их трудно удерживать в неподвижном состоянии на случай, если эта информация понадобится позже. Удобный способ добиться этого — запечатлеть эту информацию в квазистационарной среде в форме поляризационной или спиновой волны с большим временем когерентности и высвободить её обратно посредством повторного излучения исходных фотонов».
Идея была проверена с использованием синхротронных источников PETRA III в Немецком электронном синхротроне (DESY) в Гамбурге и Европейском центре синхротронного излучения во Франции, что привело к первой реализации квантовой памяти в диапазоне жёсткого рентгеновского излучения.
Эксперимент строился на создании частотной гребёнки в спектре поглощения. Рентгеновские импульсы со спектром поглощения, соответствующим этой гребёнке, как бы запоминались ядерными мишенями и могли быть переизлучены с определённой задержкой — как бы прочитаны. Перенос этого механизма, как сказано выше, произошёл в рентгеновский диапазон для воздействия на ядра атомов. Более мелкие ядра являются менее чувствительными к воздействию внешних магнитных полей и других возмущений, а квантовые состояния, как известно, всего этого боятся и разрушаются.
Следующие шаги, запланированные командой, включают в себя испускание сохранённых волновых пакетов фотонов по требованию, что может привести к реализации запутанности между различными жёсткими рентгеновскими фотонами — основным ресурсом для квантовой обработки информации. Исследование команды также подчёркивает потенциал распространения оптических квантовых технологий на коротковолновый диапазон, который по своей сути менее «шумный», поскольку помехи в основном «растекаются» по высокочастотным колебаниям.