Высокоскоростная квантовая память для фотонов

Физики из Базельского университета разработали память, которая может хранить фотоны. Эти квантовые частицы движутся со скоростью света и, таким образом, подходят для высокоскоростной передачи данных. Исследователи смогли хранить их в атомном паре и снова считывать их позже, не слишком сильно меняя их квантовомеханические свойства. Эта технология памяти проста и быстра, и она может найти применение в будущем квантовом Интернете.

Даже сегодня при быстрой передаче данных в телекоммуникационных сетях используются короткие световые импульсы. Ультраширокополосная технология использует оптические линии связи, через которые можно передавать информацию почти со скоростью света. В конце на приемнике передаваемая информация должна сохраняться быстро и без ошибок, чтобы ее можно было обрабатывать электронным способом на компьютерах. Чтобы избежать ошибок передачи, каждый бит информации кодируется в относительно сильных световых импульсах, каждый из которых содержит по меньшей мере несколько сотен фотонов.

В течение нескольких лет исследователи во всем мире работали над функционированием оптических сетей на одиночных фотонах. Кодирование одного бита на фотон не только очень эффективно, но и позволяет получить радикально новую форму обработки информации на основе законов квантовой физики. Эти законы позволяют одному фотону кодировать не только состояния 0 или 1 классического бита, но также кодировать суперпозицию обоих состояний одновременно. Такие квантовые биты являются основой для обработки квантовой информации, которая в будущем могла бы обеспечить безоговорочно безопасную связь и сверхбыстрые квантовые компьютеры. Способность сохранять и извлекать одиночные фотоны из квантовой памяти является ключевым элементом этих технологий, которые интенсивно исследуется.

Команда физиков во главе с профессорами Филиппом Тротлайном (Philipp Treutlein) и Ричардом Уорбертоном (Richard Warburton) из Университета Базеля разработала особенно простую и быструю квантовую память, в которой хранятся фотоны в газе атомов рубидия. Лазер контролирует процессы хранения и поиска. Используемая технология не требует охлаждающих устройств или сложного вакуумного оборудования и может быть реализована в очень компактной конфигурации. Исследователи также смогли проверить, что память имеет очень низкий уровень шума и подходит для одиночных фотонов.

«Комбинация простой установки, высокой пропускной способности и низкого уровня шума очень перспективна для будущего применения в квантовых сетях», - говорит Яник Вольтерс (Janik Wolters), первый автор исследования. Развитие таких квантовых сетей является одной из целей Национального центра компетенции в квантовой науке и технике (NCCR QSIT) и Рамочной программы исследований и инноваций ЕС, которые финансировали это исследование. В будущем квантовые сети могут привести к безоговорочно защищенным коммуникациям, созданию сетей различных квантовых компьютеров и моделированию сложных физических, химических и биологических систем.