В течение последних десятилетий физики-теоретики и инженеры разработали множество технологий, использующих принципы квантовой механики для расширения границ классической информатики. Среди этих достижений квантовые памяти выделяются как перспективные устройства для хранения и извлечения квантовой информации, закодированной в свете или других физических носителях.
Чтобы быть пригодными для практического применения, квантовые памяти должны обеспечивать как высокую эффективность, так и высокую точность. Другими словами, они должны сохранять и извлекать большую часть входной квантовой информации (обычно более 90%) и гарантировать, что восстановленное состояние близко соответствует исходному.
Большинство ранее предложенных стратегий разработки эффективных квантовых памятей приводили к нежелательным случайным флуктуациям (то есть шуму). Эти флуктуации, в свою очередь, могли ухудшать квантовую информацию, снижая точность системы.
Совместная группа под руководством профессора Вейпинга Чжана в Шанхайском университете Цзяо Тун и профессора Лицина Чэнь в Восточно-Китайском педагогическом университете в Китае недавно представила новый подход к управлению взаимодействием между атомами и светом при хранении квантовой информации. Используя эту технику, описанную в статье в Physical Review Letters, они продемонстрировали квантовую память Рамана, которая демонстрирует эффективность 94,6%, производит очень мало шума и может сохранять квантовую информацию с точностью 98,91%.
«Квантовая память с эффективностью и точностью, близкими к единице, необходима для обработки квантовой информации», — сказал Чжан Phys.org. «Достижение таких показателей долгое время было центральной задачей в этой области, мотивируя интенсивные исследования и вдохновляя опубликованную работу. Основными целями этой работы были объяснение лежащей в основе физики и разработка практических подходов для создания идеальной квантовой памяти».
Квантовая память, разработанная Чжаном и его коллегами, использует тип взаимодействия между атомами и светом, известный как далеко не резонансная схема Рамана. Помимо обеспечения квантового хранения, этот метод также предлагает широкополосное преимущество, позволяя памяти сохранять оптические сигналы гораздо быстрее, чем в других схемах.
В своей статье исследователи представили точную и надёжную технику, которую можно использовать для адаптивного управления квантовой памятью до достижения «совершенства». Эта техника основана на принципе пространственно-временного отображения атома и света, который математически называется преобразованием Ганкеля.
«По сути, эта работа впервые раскрывает физический механизм, лежащий в основе отображения атома и света в квантовой памяти», — сказал Чжан. «Практически эта работа знаменует прорыв в разработке нового метода и перспективной техники для достижения эталона квантовой памяти».
Исследователи применили свой недавно открытый математический подход к квантовой памяти Рамана, основанной на тёплой паре рубидия-87 (⁸⁷Rb). Было обнаружено, что их подход преодолевает узкое место «компромисса между эффективностью и точностью», которое до сих пор препятствовало созданию «идеальных» квантовых памятей.
Эти недавние усилия Чжана и его коллег могут способствовать созданию всё более совершенных квантовых памятей. В будущем такие памяти могут открыть новые возможности для развития различных других квантовых технологий, включая квантовую связь на большие расстояния, квантовые компьютеры и распределённые системы квантовых датчиков.
«В наши планы на будущие исследования входит изучение новых физических принципов и интеграция памяти в квантовые повторители для отказоустойчивых архитектур квантовых вычислений и квантовых сетей», — добавил Чжан.