Квантова пам'ять

Звичайні, класичні оптичні сигнали передаються шляхом зміни амплітуди світла. У цьому випадку для зберігання інформації на лампі можна використовувати аркуш паперу або жорсткий диск комп'ютера. Однак у випадку квантової інформатики інформація може кодуватися відповідно до амплітуди та фази світла. Для деяких сигналів не можна виміряти амплітуду та фазу світла не втручаючись у сигнал. Щоб зберігати квантову інформацію, саме світло потрібно зберігати не вимірюючи. Світло для квантової пам'яті — це запис стану світла в атомну хмару. Коли світло поглинається атомами, вони можуть вводити всю інформацію про квант світла.[4]

У класичних обчисленнях пам'ять — це тривіальний ресурс, який можна відтворити в довговічному апараті пам'яті та отримати пізніше для подальшої обробки. У квантових обчисленнях це заборонено, оскільки згідно з теоремою про заборону клонування будь-який квантовий стан не може бути відтворений повністю. Отже, за відсутності квантової корекції помилок зберігання кубітів обмежується внутрішнім часом когерентності фізичних кубітів, що містять інформацію. Квантова пам'ять, яка перевищує задані фізичні межі зберігання кубітів, буде квантовою передачею інформації до «кубітів, що зберігаються», на які мало впливає навколишній шум та інші фактори. А потім, коли інформація потрібна, вона повертається до потрібних «кубітів, що обробляються», щоб забезпечити швидку роботу або читання.[5]

Азотно-заміщені вакансії в алмазах залучили багато досліджень завдяки своїм чудовим характеристикам в оптичних нанофотонних пристроях. У недавньому експерименті була реалізована електромагнітно індукована прозорість на багатопрохідному алмазному чіпі для досягнення повного фотоелектричного зондування магнітного поля. Незважаючи на ці тісно пов'язані експерименти, оптичне зберігання даних ще не впроваджено на практиці. Існуючі у азотно-заміщених вакансіях енергетичні рівні (у негативно заряджених та нейтральних азотно-заміщених вакансіях) робить можливим оптичне зберігання у азотно-заміщених вакансіях в алмазі.

Зв'язок між спіновим ансамблем азотно-заміщених вакансій та надпровідними кубітами забезпечує можливість зберігання надпровідних кубітів у мікрохвилях. Оптичний накопичувач поєднує в собі спіновий електронний стан і надпровідні квантові біти, що дозволяє азотно-заміщеним вакансіям в алмазі відігравати роль у гібридній квантовій системі взаємного перетворення когерентного світла та мікрохвиль.[11]

Пам'ять на градієнтному відлунні — це технологія оптичне зберігання на основі фотонного еха. Вперше ідея була продемонстрована дослідниками з Австралійського національного університету. Їх експеримент являє собою трирівневу систему на основі пари. Ця система має ефективність до 87 %.[12]

Електромагнітно індукована прозорість (ЕІП) була вперше представлена Гаррісом та його колегами в Стенфордському університеті в 1990 році.[13] Робота показала, що коли лазерний промінь викликає квантову інтерференцію між шляхами збудження, оптична реакція атомного середовища модифікується для усунення поглинання та заломлення на резонансних частотах атомних переходів. На основі ЕІП можна досягти повільного світла, створення оптичного накопичувача та квантової пам'яті. На відміну від інших підходів, ЕІП має тривалий час зберігання і є відносно простим та недорогим для впровадження рішенням. Наприклад, електромагнітно індукована прозорість не вимагає дуже потужних променів керування, зазвичай необхідних для Раманівської квантової пам'яті, а також не вимагає використання температури рідкого гелію. Крім того, фотонне ехо може зчитувати ЕІП, тому що когерентність спіну зберігається через затримку часу імпульсу зчитування, спричинену відновленням спіну в нерівномірно розширеному носії. Хоча існують певні обмеження щодо робочої довжини хвилі, пропускної здатності та ємності мод, були розроблені методи, щоб зробити квантові пам'яті на основі ЕІП цінним інструментом у розвитку квантових телекомунікаційних систем.[11] У 2018 році високоефективна оптична пам'ять на основі ЕІП в холодних атомах продемонструвала 92 % ефективності зберігання та пошуку в класичному режимі з когерентними променями,[14] і було продемонстровано 70 % ефективності зберігання та пошуку для поляризаційних кубітів, кодованих у слабких когерентних станах, що перевершує будь-який класичний орієнтир.[15] Після цих демонстрацій кубіти з однофотонною поляризацією потім зберігали через ЕІП ансамбля холодних атомів ⁸⁵Rb і зчитували з ефективністю 85 %,[16] а заплутаність між двома елементами квантової пам'яті на основі цезію також було досягнуто із загальною ефективністю передачі близько 90 %.[17]

Взаємоперетворення квантової інформації між світлом і речовиною знаходиться у центрі уваги квантової інформатики. Досліджується взаємодія між одиничним фотоном та охолодженим кристалом, легованим рідкоземельними іонами . Кристали, леговані рідкісноземельними елементами, мають широкі перспективи застосування в області зберігання квантів, оскільки вони забезпечують унікальну систему застосування.[18] Лі Ченфен з квантової інформаційної лабораторії Китайської академії наук розробив твердотільну квантову пам'ять і продемонстрував функцію фотонних обчислень, використовуючи час і частоту. На основі цього дослідження можна створити широкомасштабну квантову мережу, засновану на квантовому ретрансляторі, використовуючи зберігання та узгодженість квантових станів в матеріальній системі. Дослідники вперше показали кристали, леговані іонами рідкісноземельних елементів. Поєднуючи тривимірний простір з двовимірним часом і двовимірним спектром, була створена своєрідна пам'ять, яка відрізняється від звичайної. Вона має багатомодову ємність і може також використовуватися як квантовий перетворювач високої точності. Експериментальні результати показують, що у всіх цих операціях надійність тривимірного квантового стану, що несе фотон, може підтримуватися на рівні близько 89 %.[19]

Діамант має дуже високий коефіцієнт раманівського посилення в режимі оптичних фононів частотою 40 ТГц і має широке вікно пропускання у видимій та ближній інфрачервоній смузі, що робить його придатним для оптичної пам'яті з дуже широкою смугою. Після раманівського розсіювання у запам'яовуючому пристрї оптичний фонон розпадається на пару фотонів через канал, а час розпаду становить 3,5 пс, що робить алмазну пам'ять непридатною для протоколу зв'язку.

Тим не менше, алмазна пам'ять дозволила провести кілька показових досліджень взаємодії світла і речовини на квантовому рівні: оптичні фонони в алмазі можуть бути використані для демонстрації випромінювання квантової пам'яті, макроскопічного переплутування, попередньо передбаченого зберігання одиничного фотона та маніпуляції частотою одиничного фотона.[11]