Исследователи из немецкого Института физики света Общества Макса Планка представили свою новую разработку, которая претендует на звание хранилища квантовой памяти будущего. Группа учёных также впервые изучила отдельные ионы редкоземельных элементов в кристалле при помощи микроскопии и спектроскопии высокого разрешения.

Оригинальный лазер и микроскопическое исследование позволили физикам определить позицию трёхзарядных положительных атомов празеодима внутри ортосиликата иттрия с точностью до нескольких нанометров и исследовать их слабое взаимодействие со светом.

Данная работа является важным шагом на пути к развитию квантовых вычислительных технологий, потому что ионы подходят для хранения и обработки квантовой информации.

Поскольку оптические свойства квантовых систем являются их основой, многие исследователи в настоящее время сосредоточили свое внимание на таких системах, как светоизлучающие дефекты кристалла в алмазе или на полупроводниковых квантовых точках. Однако до сих пор идеальное хранилище квантовой информации подобрать не удавалось.

Рис. 1. Компьютерная модель ионов в кристалле. Световой луч определённой частоты возбуждает только один конкретный ион празеодима в решётке (иллюстрация MPI Science of Light).

«Некоторые из источников света теряют яркость или мерцают неконтролируемым образом. Другие же сильно зависят от окружающей среды, в которую они встроены», — поясняет ведущий автор исследования Вахид Сандогдар (Vahid Sandoghdar).

Давно известно, что ионы редкоземельных элементов, таких как неодим или эрбий не имеют таких проблем — по той же причине они являются основой лазерных технологий. Тем не менее, такие элементы нелегко получить. Но группе Сандогдара это удалось: после шести лет упорных исследований физики создали отдельные ионы празеодима и с беспрецедентной точностью измерили их оптические свойства.

Трёхзарядные положительные ионы были встроены в крошечные микрокристаллы и нанокристаллы ортосиликата иттрия. Их энергии варьируются слабо в зависимости от положения в кристалле.

Другими словами, они реагируют на излучение немного различающихся частот. Учёные использовали это свойство, чтобы возбудить отдельные ионы в кристаллах с помощью лазера и понаблюдать, как они будут излучать энергию через некоторое время в виде света.

Рис. 2. Празеодим, редкоземельный элемент, ионы которого легли в основу новой квантовой системы (фото Wikimedia Commons).

«Так как на ионы редкоземельных элементов не сильно влияют тепловые и акустические колебания в кристалле, некоторые из их энергетических состояний оказывались необычайно стабильными. Проходит больше минуты, прежде чем они переходят обратно в своё основное состояние, а это в миллион раз дольше, чем большинство других квантовых систем, исследуемых сегодня», — рассказывает Сандогдар.

На деле это означает, что с такой системой гораздо проще работать, так как такие сигналы легче поймать. На данный момент индивидуальные ионы испускают менее ста фотонов в секунду.

Поэтому исследователи также обдумывают в будущем использовать наноантенны и микрорезонаторы для усиления сигнала празеодима в сто или тысячу раз. После выполнения этого этапа можно будет судить о том, может ли такая система претендовать на звание квантовой.

Результаты эксперимента Сандогдар и его коллеги описали в статье, которая вышла в журнале Nature Communications.