Ученые создали твердотельную квантовую память

Группа физиков из Университета Калгари (Канада) и Университета Падерборна (Германия) реализовала хранение квантового состояния одного фотона из запутанной пары частиц в волноводе, выполненном из ниобата лития с примесью тулия.

Твердотельная квантовая память необходима для создания повторителей — устройств, которые будут использоваться в комплексных системах квантовой связи. Работу таких систем обеспечат передаваемые по оптоволокну фотоны, а твердотельные узлы должны задерживать информацию на требуемое время, синхронизируя процессы передачи, и решить проблему потерь в оптоволокне.

Наиболее перспективными материалами, которые могут достаточно долго хранить квантовую информацию, считаются кристаллы с добавками ионов редкоземельных элементов. В экспериментах с ними запутанное состояние двух исходных фотонов преобразуется в запутанное состояние фотона и коллективного возбуждения атомов (миллионов редкоземельных ионов), а через некоторое заранее заданное время выполняется обратное преобразование. На выходе экспериментаторы, разумеется, должны снова получить два запутанных фотона.

В опытах авторов роль устройства хранения играл оптический волновод, охлаждённый до 3 К. Пары запутанных фотонов физики получали по проверенной методике спонтанного параметрического рассеяния. Фотон с длиной волны около 795 нм направлялся к волноводу, тогда как вторая (1 532-нанометровая) частица попадала в оптоволоконную линию задержки, а затем — на детектор.

Схема Ti:Tm:LiNbO3-волновода (иллюстрация из журнала Nature).

Стоит заметить, что осенью прошлого года аналогичное устройство представили швейцарские физики, которые использовали кристалл силиката иттербия и ионы неодима. Швейцарский вариант имеет более высокую эффективность работы, определяемую как отношение числа «сохранённых» и испущенных фотонов к общему числу падающих на кристалл фотонов, и увеличенное время хранения. Однако германо-канадская версия квантовой памяти даёт бóльшую ширину диапазона рабочих частот, равную 5 ГГц.