Хранение и передача информации с использованием квантовых эффектов – сегодня одна из самых «горячих» областей научных исследований. Основная задача в этой области – найти способы сделать квантовые связи действенными в реальном масштабе времени. Одно из последних достижений международной группы ученых – многократное увеличение времени жизни одной из форм квантовой памяти.

В данном случае группа исследователей в эксперименте достигла продолжительности жизни квантовой памяти, т.е. времени, в течение которого квантовая информация может быть сохранена, длительностью 6 мс, что более чем в 100 раз превышает прежний рекорд. В команду исследователей входили ученые из двух американских университетов – Института Технологии штата Джорджия (Georgia Institute of Technology), Университета штата Мэриленд (University of Maryland) и Unviersity of Insubria из Италии. Результаты работы опубликованы в интернет-издании журнала Nature Physics, а также могут быть найдены на сайте Georgia Institute of Technology. Руководил проектом адъюнкт-профессор Алекс Кузмич (Alex Kuzmich).

Несмотря на то, что некоторые существенные технические проблемы еще долгое время будут существовать, этот результат является значительным прогрессом в области реализации квантовых сетей и передачи квантово запутанных состояний на большие расстояния (Квантовая запутанность или сцепленность -квантовомеханическое явление, при котором квантовое состояние двух или большего числа объектов должно описываться во взаимосвязи друг с другом, даже если отдельные объекты разнесены в пространстве. Вследствие этого возникают корреляции между наблюдаемыми физическими свойствами объектов).

Схемы квантовой памяти чрезвычайно чувствительны к влиянию окружающей среды, чем и ограничивается средняя продолжительность периода хранения информации. Для переноса квантовой информации на большие расстояния, время хранения должно быть много больше, чем то, которое на сегодня ученые способны получить. Например, передача квантовых состяний на расстояние 1000 км занимает не менее 5 миллисекунд (мс), что означает необходимость схемы квантовой памяти поддерживать рабочий режим как минимум такое время.

Для реализации схемы памяти исследователи из Georgia Institute of Technology использовали группу атомов рубидия-87, охлажденного практически до абсолютного нуля для того, чтобы минимизировать движение атомов. Для записи информации все множество атомов было облучено сигнальным пучком лазерного излучения. Это позволило каждому из облученных атомов участвовать в записи и хранении информации как части «общего возбуждения». Другими словами, каждый из атомов «видел» входящий сигнал, – промодулированное электромагнитное поле, но несколько по разному. В результате, каждый из облученных атомов являлся носителем фазовой информации, которая впоследствии могла быть считана со всего множества атомов другим лазерным лучом.

Несмотря на то, что атомы охлаждены почти до нуля, они тем не менее могут совершать некоторые случайные движения. Поскольку каждый из атомов хранит часть квантовой информации, полезность сохраняемых данных в высокой степени зависит от относительного расположения каждого из атомов по отношению к остальным в группе. Это означает, что определенное движение атомов может разрушить записанную информацию.

Для увеличения времени жизни памяти на атомах рубидия-87 исследователи использовали два подхода. Первый из них состоял в том, чтобы заключить группу атомов в решетку из лазерных лучей. При фиксированной частоте излучения, каждый из атомов «привязан» к определенному месту в решетке и его случайные движения не играют столь серьезной роли. Поскольку на группу атомов могут влиять внешние силы, такие, например, как магнитные поля, атомы должны были быть возбуждены до определенного переходного состояния, в котором они относительно нечувствительны к магнитным воздействиям.

По сравнению с другими группами исследователей, пытающихся решить ту же задачу, используя для хранения информации одиночные атомы или ионы, методы группы проф. Кузмича дают возможность увеличения длительности хранения, но имеют и свои ограничения. По мнению проф. Кузмича, несмотря на столь значительный прогресс, достигнутый его группой, потребуется еще не менее 10 лет для того, чтобы создать практичные квантовые сети.

Евгений Биргер