Квантовая память

Исследователи создали квантовые запоминающие устройства, способные сохранять запутанность фотонов, что позволяет организовать сеть для передачи квантовой информации. Работа с описанием эксперимента опубликована в журнале Nature.

Квантовые компьютеры могут решать некоторые задачи гораздо быстрее классических компьютеров. Но недостаточно просто иметь такой компьютер – нужно уметь отправлять сигналы от одного квантового компьютера к другому. И с этой важной функцией у сегодняшних компьютеров есть проблемы – пока невозможно отправлять квантовые сигналы на большие расстояния.

Инженеры используют обходной манёвр, отправляя сигнал по множеству коротких путей, а в промежутках сохраняя его в памяти. И теперь исследователи из Института фотонных наук в Испании продемонстрировали, как можно кардинально улучшить этот метод при помощи квантовых «ячеек памяти». Им удаётся надёжно передавать сигналы, сохраняющиеся примерно в 1000 раз дольше, чем в предыдущих экспериментах. Сигналы кодируются запутанными частицами, использующими одно из ключевых явлений квантовой механики.

Авторы поясняют в своей работе, что, хотя запутанность двух квантовых ячеек памяти уже демонстрировалась ранее, эту технологию до сих пор не получалось расширить до больших расстояний.

Сигнал, передающийся между квантовыми компьютерами, чаще всего представляет собой отдельные фотоны. Поэтому он склонен затухать и очень капризен по причинам, фундаментальным для квантовой физики. Его чрезвычайно трудно усилить, не нарушив, в отличие от тех же электрических сигналов.

В связи с этим, главная задача – научиться отправлять надёжные сигналы. Один из методов – разбить путь на части, от одной станции до другой, и на каждой станции сохранять и восстанавливать фотон.

Классические компьютеры тоже умеют сохранять и восстанавливать сигналы на различных сегментах сети, однако квантовым компьютерам, сигнал которых состоит из запутанных фотонов, делать это сложнее. Если восстановить запутанный фотон на одном конце кабеля, мы сразу узнаем о некоторых свойствах его двойника с другого конца – в этом и состоит запутанность. Квантовые компьютеры используют эту особенность для передачи информации.

К сожалению, из-за явления декогеренции акт измерения нарушает запутанность. Поэтому трюк квантовой связи заключается в том, чтобы передавать фотоны по цепочке, не нарушая запутанности, и при этом гарантировать их надёжную запутанность, не проводя непосредственных измерений.

В эксперименте использовался отрезок оптоволоконного кабеля с устройствами для запоминания квантовой информации с обоих концов. В качестве модуля памяти исследователи использовали особый кристалл. Когда в него попадает фотон, кристалл особым образом вибрирует, кодируя информацию о запутанности конкретного фотона (поляризацию и спин).

Исследователи показали, что при таком способе фотоны остаются запутанными даже по истечению достаточно длительного времени. Получается, что таким образом можно создавать узлы целой сети. А поскольку использовались фотоны с частотами, совпадающими со стандартами, применяемыми в телекоммуникационных сетях, исследователи считают, что их систему можно приспособить к уже существующим сетям и построить на этой основе квантовый интернет.