Учёные из Университета науки и технологий Китая представили способ хранения и извлечения квантовой информации, опубликованный в журнале National Science Review. Эта разработка может открыть дорогу для построения больших квантовых сетей, разрешая вопрос потери информации при передаче на большие расстояния.
Квантовая память — ключевая часть квантовых коммуникаций и вычислений, выполняющая функции устройства для хранения и синхронизации квантовой информации. В традиционном понимании эффективный обмен квантовой запутанностью на большие расстояния был затруднён из-за потери фотонов при передаче на коротких дистанциях.
«Для создания масштабируемых квантовых сетей требуются фотонные интегрированные квантовые памятью. », — отмечают исследователи в своей работе.
С помощью техники, называемой спин-волновой квантовой памятью, ученые разработали способ увеличить время хранения и повысить надежность, что стало значительным шагом в развитии квантовых технологий.
Проблема спин-волнового хранения данных
Спин-волновая квантовая память — способ хранения частиц света, фотонов, в особенностях кристаллов на основе редкоземельных элементов. Такие кристаллы прекрасно сохраняют квантовую информацию. Благодаря этому методу можно извлекать сохраненную информацию по требованию и хранить ее дольше, чем традиционными способами.
Спин-волновое хранение информации имеет серьезный недостаток: крошечные квантовые сигналы сложно различить на фоне шума, создаваемого сильными лазерными импульсами, управляющими системой. Такой шум препятствует эффективному применению спин-волновой памяти в компактных полупроводниковых устройствах. До сих пор ни одно подобное интегрированное устройство не смогло успешно использовать эти методы хранения данных.
Новое решение для борьбы с шумом
Группа исследователей под руководством профессоров Чуань-Фенга Ли и Зонг-Куана Чжоу создала новое решение с помощью специального устройства, сделанного по фемтосекундной лазерной записи.
Данный подход привёл к созданию циркулярно-симметричного волновода в кристалле ортосиликата иттрия, обогащенного европием — редкоземельном кристаллом, применяемом в подобных исследованиях. Уникальная конструкция фильтра шумов по поляризации позволила эффективно подавлять нежелательные сигналы и сохранять целостность квантовой информации.
Для повышения эффективности системы разработчики применили несколько техник шумоподавления, включая контроль времени, фильтрацию отдельных цветовых спектров света и установку, генерирующую сигналы и управляющие импульсы в противоположных направлениях. Благодаря этим методам слабые квантовые сигналы стали разделяться от более мощных лазерных импульсов, что улучшило хранение и извлечение сигналов.
Исследователи протестировали два способа хранения квантовой информации: «бесшумное фотонное эхо» и «атомную частотную гребенку». Метод «бесшумного фотонного эхо» оказался в четыре раза эффективнее, так как позволяет кристаллу работать с максимальной отдачей. Устройство способно хранить и извлекать квантовую информацию с надежностью 94,9%, что превосходит традиционные технологии.
Приближение к квантовой памяти
Исследователи называют это достижение «долгожданной целью» в области исследований квантовой памяти. Интегрированная спин-волновая квантовая память служит основой для мультиплексированных квантовых ретрансляторов, необходимых для создания крупных квантовых сетей, а также открывает путь к квантовой памяти большой вместимости и транспортабельности.
Развитие квантовой эры продвигает инновации, приближающие реализацию потенциала квантовых сетей, предлагающих более быстрые и надежные системы связи.