Рис. 1. Фотография криостата с кристаллом Eu:YSO, в котором реализована квантовая память. Видны четыре прохода лазерного излучения через кристалл
В ИПФ РАН была реализована квантовая память для записи поляризационных и временны́х кубитовых состояний света в кристалле ортосиликата иттрия, допированного ионами европиума (Eu:YSO).
Квантовые коммуникации являются одной из наиболее актуальных областей квантовых технологий. Они открывают путь к развитию множества потенциальных практических приложений, в том числе к созданию безопасного квантового интернета. Однако принципиальной проблемой на этом пути становится малая дальность квантовых коммуникационных сетей, которая ограничивается затуханием света в оптоволокне. Для решения проблемы затухания используются промежуточные пункты – узлы, включающие т.н. квантовые повторители, ключевым элементом которых является квантовая память, позволяющая сохранить и впоследствии извлечь свет с сохранением его квантового состояния. Преимуществом квантовых повторителей является то, что даже при наличии у злоумышленника доступа к узлу он не сможет перехватить пересылаемую информацию, что делает квантовые повторители абсолютно защищенными.
Для реализации квантовой памяти сотрудниками отдела нелинейной электродинамики ИПФ РАН был выбран кристалл ортосиликата иттрия (Eu:YSO). Благодаря своим когерентным свойствам он является одной из наиболее перспективных сред для хранения квантовой информации. Однако материал кристалла обладает способностью проявлять различные свойства поглощения в зависимости от поляризации падающего излучения (это свойство материала называется анизотропией), что представлялось проблемой, поскольку использование фотонов разных поляризаций является одним из наиболее привлекательных методов кодирования квантового состояния.
Рис. 2. Сигнал эха на выходе квантовой памяти (синяя линия, второй импульс). Зеленым показан записываемый импульс
Для устранения недостатка исследователями была предложена оригинальная схема с четырехкратным проходом излучения через образец с промежуточным поворотом поляризации, позволившая избавиться от анизотропии (рис. 1). В данной схеме была реализована память (рис. 2) на основе атомной частотной гребенки с максимальной эффективностью 26% и рабочей полосой порядка 10 МГц. Проведенные томографические измерения, анализирующие квантовую память как процесс, трансформирующий произвольное входное поляризационное состояние в выходное, показали, что точность воспроизведения квантовых состояний составляет более 80%, что достаточно для квантовых приложений.
Рис. 3. Интерференция двух эхо-сигналов от двух записываемых импульсов при варьировании разности фаз между ними
Был также исследован потенциал реализованной памяти для хранения так называемых кубитов с временны́м кодированием – кубитов, где для кодирования состояний 0 и 1 используется время прихода фотона. Был проведен эксперимент, где в память направлялись па́ры импульсов с контролируемой разностью фаз. Параметры квантовой памяти подбирались таким образом, чтобы было возможно совместить извлеченные из памяти импульсы по времени и наблюдать их интерференцию. Полученная видность (мера контрастности) интерференционной картины более 90% (рис. 3) подтверждает высокую точность сохранения разности фаз между записываемыми импульсами.
Работа была выполнена в рамках проекта «Разработка системы квантового распределения ключа с квантовым повторителем на основе оптической памяти», финансируемого ОАО «РЖД» в соответствии с «дорожной картой» развития высокотехнологичной области «Квантовые коммуникации».
Публикации:
1. R A Akhmedzhanov, L A Gushchin, A A Kalachev, N A Nizov, V A Nizov, D A Sobgayda and I V Zelensky. Memory for polarization state of light based on atomic frequency comb in a 153Eu:Y2SiO5 crystal. Laser Physics Letters, 2023, Volume 20, Number 1, 015204, DOI 10.1088/1612-202X/aca758
2. Р.А. Ахмеджанов, Л.А. Гущин, И.В. Зеленский, А.А. Калачев, В.А. Низов, Н.А. Низов, Д.А. Собгайда. Квантовая память в кристалле Eu:YSO для поляризационных и временных кубитовых состояний. Радиофизика. Принята к публикации.
Источник информации и фото: ИПФ РАН