КАЗАНЬ, 25 марта. /ТАСС/. Ученые из Казанского квантового центра Казанского национального исследовательского технического университета им. А. Н. Туполева (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, сообщили ТАСС в пресс-службе Минобрнауки РФ.
"Исследование казанских ученых предлагает новый подход в направлении разработки протоколов оптической квантовой памяти, позволяющий избежать ряда ограничений традиционных протоколов. Для этого ученые КНИТУ-КАИ предлагают использовать макроскопическую когерентность - одно из свойств атомного ансамбля, благодаря которому возникает упорядоченность и согласованность поведения большого числа элементов вещества в макроскопических масштабах", - говорится в сообщении.
Квантовая память 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, которое позволяет хранить произвольное квантовое состояние фотонных кубитов в течение заданного времени, называется оптической квантовой памятью.
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.
Результаты исследования
Группа ученых КНИТУ-КАИ, возглавляемая директором Казанского квантового центра, доктором физико-математических наук Сергеем Моисеевым, предложила 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", - объяснили в пресс-службе.
Предлагаемый подход придает новые физические свойства работе квантовой памяти и дает дополнительные способы улучшения ее основных физических параметров. В частности, ученые показали, как предварительно созданная когерентность может обеспечить квантовое хранение с низким квантовым шумом, извлечение сигнальных световых полей по требованию, а также динамическое перепрограммирование времени хранения.
Полученные результаты выводят направление разработки протоколов оптической квантовой памяти на новый уровень. Использование макроскопической когерентности показывает, что существуют эффективные экспериментальные методы разработки квантовой памяти. Также предложенный подход представляется перспективным для разработки квантовых преобразователей частоты.