Эксперимент австралийских ученых с остановленным светом

Разработанная австралийскими учеными квантовая память является на данный момент наиболее эффективной в мире. Это еще один шаг к сверхбыстрым компьютерам и защите информации, обусловленной законами физики. Свет проходит через кристалл в ходе эксперимента с квантовой памятью Команда из Австралийского Национального Университета (Australia's national university — ANU) использовала разработанную ими инновационную технологию, чтобы «остановить» излучение лазера в кристалле, охлажденном до -270 ?С. Беспрецедентная точность и эффективность системы позволила хранить, обрабатывать и считывать информацию в форме квантов света.

Квантовая память позволяет «перенести» квантовую информацию светового излучения на некоторую материальную систему (в данном случаемонокристалл Y2SiO5 с редкими включениями ионов празеодима) путем изменения её квантового состояния, оставляя возможность считать эту информацию при необходимости. Чтобы обойти принцип неопределенности Гейзенберга и сохранить информацию неповрежденной, необходимо избежать измерения входного состояния.

Для развития квантовых вычислительных систем является важным достижение 50% уровня эффективности хранения информации, тогда как на данный момент самый высокий показатель составил 45%. Исследователи из ANU в своей работе, результаты которой опубликованы в журнале Nature, показали, что эффективность разработанного ими устройства составляет 69%, и может быть в дальнейшем увеличена за счет изменения геометрических размеров используемого кристалла.

Ключевую роль в хранении информации играли включения в кристалле — ионы редкоземельного металла празеодима, физические свойства которых позволяют долгое время сохранять квантовое состояние, согласованное с другими ионами, что позволяет реализовать принцип когерентной оптической памяти. В качестве кубитов в различных системах хранения квантовой информации могут использоваться не только редкоземельные ионы, «внедренные» в кристаллы, но и частицы атомного пара или охлажденного до температур, близких к абсолютному нулю, атомного газа.

Информация на выходе полностью повторяла входящую, вплоть до последнего фотона, создавая трехмерную голограмму, которая может быть считана и обработана. Из-за неизбежной неопределенности, обусловленной законами квантовой механики, часть исходящей информации будет потеряна при измерении, поэтому полученную голограмму можно «прочесть» только однажды, что делает данную технологию идеальной с точки зрения информационной безопасности.

Помимо этого, исследователи утверждают, что данное устройство поможет провести некоторые эксперименты в области фундаментальной физики, раскрывающие, например, особенности взаимодействия явления квантовой запутанности с эффектами теории относительности.

«Мы могли бы „запутать“ квантовые состояния двух кристаллов, — говорит Метью Селларс (Matthew Sellars), руководитель исследовательской группы. — Согласно квантовой механике, считывание информации, хранящейся в одном кристалле, должно мгновенно повлиять на содержимое другого, как бы далеко они ни находились. Согласно теории относительности, ход времени для кристалла зависит от того, как он перемещается в пространстве. С хорошей квантовой памятью мы могли бы поставить эксперимент [35], демонстрирующий взаимодействие этих фундаментальных эффектов».

Командой д-ра Селларса был проведен эксперимент, в ходе которого им удалось «остановить» свет в кристалле более, чем на секунду, что примерно в 1000 раз превышает достигнутые ранее показатели. Теперь исследователи пытаются объединить различные системы, чтобы достичь максимальной эффективности в сочетании с длительностью хранения информации на протяжении нескольких часов.