Создано квантовое устройство памяти, которое помещается на чип

Команда ученых из США и Италии построила квантовое устройство памяти, которое приблизительно в 1000 раз меньше похожих устройств – настолько мало, что его можно установить на чип. В своей статье, опубликованной в журнале Science, команда описывает создание устройства памяти и говорит о своих планах по увеличению его функционирования.

Ученые непрерывно работали над созданием квантовых компьютеров и сетей, и за последние годы достигли успехов в обеих областях. Но есть один тормозящий фактор: разработка квантового устройства памяти. Такие устройства уже создавали, но до сих пор они были слишком большими для чипов, что является требованием практической применимости. Стремясь это осуществить, ученые сообщили о разработке квантового устройства памяти, которое не только так мало, что может поместиться на чип, но и способно восстанавливать данные по запросу.

Устройство очень мало, примерно 10 на 0,7 микрометров, странной формы, как шоколадный батончик Toblerone – длинный и тонкий с зазубренной треугольной формой, с зеркалами на обоих концах. Оно сделано из иттриевого ортованадата с небольшим количеством неодима, образующего резонатор. Эти резонаторы, в свою очередь, удерживают кристаллический резонатор, который захватывает отдельные фотоны, кодируя информационные данные (ноль, единица или оба).

Чтобы управлять этим устройством, ученые выстрелили в него лазерными импульсами, заставляя фотоны собраться в гребни, что ускорило их поглощение – конфигурация также вызвала выброс фотонов из гребня через 75 наносекунд. В то время, когда фотоны поглощались, ученые выстрелили двойными лазерными импульсами на гребень, чтобы задержать новую волну фотонов на 10 наносекунд, что создало возможность получить запрошенные данные. В то время, когда фотоны удерживались, они существовали как двойные импульсы – ранние и поздние.

Чтобы показать, что устройство действительно хранило информацию, команда сравнила волновую функцию фотонов перед и после хранения и обнаружила, что она фактически не изменились, что означает, что она все еще сохраняют свое состояние нуля, единицы или два варианта одновременно – информация не была разрушена, что доказывает, что устройство было действительно квантовым устройством памяти (в момент времени между чтением информации и записью не произошло декогеренции).

Выдержка

Оптические квантовые накопители являются неотъемлемыми элементами квантовых сетей для распространения квантовой запутанности на большие расстояния. Расширяющееся развитие квантовых сетевых узлов требует функционирования встроенного в чип кубитного хранилища с контролем его времени считывания данных. Исследователи показали высокоточную нанофотонную квантовую память, основанную на мезоскопическом неодимовом ансамбле, присоединенном к фотонному кристаллическому резонатору.

Нанорезонатор обеспечивает > 95% поляризации спина для эффективной инициализации характерной атомной частоты для генерации памяти, а также time-bin алгоритм шифрования данных через увеличенный оптический штарковский сдвиг характерных частот. Такая долговременная память способна объединиться с другими однофотонными ресурсами и приборами для обнаружения уплотненной квантовой и классической обработки информации в сетевых узлах.

Оригинал статьи прикреплен к записи.

Пояснения к изображениям:

Fig. 1. Схемы эксперимента. (A) Устройство неодимового иттрий-ортованадата Nd YVO охлаждено до 480 мК в холодильной камере с гелием-3. Модулированный лазерный свет комбинации электрооптического модулятора ЭОМ и акустооптического модулятора АОМ был генерировал излучение в устройстве за счет одномодового оптоволокна. Асферический двулинзовый объектив сфокусировал оптоволоконную мощность на соединительный нанопучок (красная пунктирная вклейка). Отраженный свет был направлен либо в аппарат с комнатной температурой для характеристики, либо в WSi сверхпроводящий нанопроводникоый детектор в том же самом холодильнике. Одно деление равно 1?m. a, b, c – кристаллографические оси. (B) Изображение SEM одностороннего нанопучка оптического резонатора. (C) Смоделированные фундаментальные поперечные магнитные (поляризация электрического поля вдоль с) режимы профиля. Серая пунктирная линия изображает границу ввода-вывода для характеристики эффективности устройства памяти.

Fig. 2. Усиленная резонатором граница плотности световой материи с согласованным полным сопротивлением. (A) Резонаторный отражательный спектр для пустого резонатора (пунктирная линия, частота переходит к перекрытию с включенным резонансным спектром) и резонатором в резонансе с неодимовым переходом (синяя линия). Пики (пунктирный прямоугольник) появляются из общего соединения неодимового ансамбля с резонатором. Плоский спектр (коричневый) – это отражение из правого соединителя, показывающего, что резонатор, в основном, односторонний. (B) Фотолюминесценция (PL) затухает (оптические T_1 интервалы) для ионов, соединенных для нанорезонатора (синий) и в объемном кристалле (красный). Затухание в резонаторе – не единственный экспоненциал (вставка), так как на ионы произвольно разделенные в резонаторе действует отличающееся расширение Перселла. (C) Эхо двухимпульсного фотона затухает в нанорезонаторе, который находится в резонансе с ансамблем (черный), расстроенный на ~50 ГГц (синий) и в прямоугольнике (красный). Изображение показывает типичный сигнал фотонного эха из нанорезонатора.

Fig. 3. Эффективная оптическая накачка и квантовое хранилище в неодимовом иттрий-ортованадатном Nd YVO резонаторе. (A) Раположение манитного поля с уровнями спина Зеемана и передачей Nd3+ (только изотопы с нулевым ядерным спином). (B) Разрушение спектральных дыр, из которых были получены временные интервалы спинов: T_z^cav = 12,5 мс, T_z^bulk = 12,7 мс. (C) Динамика оптической накачки, показывающая возрастающую поляризацию спина в нанорезонаторе (?_1<5% (синий) против ~20% (красный) в объеме). Изображение показывает АОМ последовательность спада. Объем спиновых пор был измерен передачей зондирующего импульса (красный). Резонатор зондировали из фотолюминесцентной частотности после возбуждения зонда (синий). (D) АЧГ (атомный частотный гребень) с F = 3,3 и ~400 ионов на каждом зубце. (E) Вкладка (черная линия), отражение (синяя область) и АЧГ эхо-сигнал когерентного состояния (? = 0,58 фотонов) метод time-bin |+/-> из резонатора. Вкладка показывает нижние границы точности кубитного хранилища для серии запусков с арифметическим значением точности до 96,8%.

Fig. 4. Обработка выборочного фотона под воздействием импульсов эффекта Штарка во временном режиме. (A) Спектральное расположение двух импульсов Штарка применительно к АЧГ. Симметричные, значительно расстроенные импульсы Штарка вызывают равномерное сжатие АЧГ. (B) Импульсы Штарка вызывают дополнительную задержку в интервалах эхо-возврата. (C) Измеренное АЧГ перекликается с возрастающим числом фотонов в 16-ти импульсах Штарка. Здесь ?_st = 1 ГГц, ? = 13,3 МГц. Синяя затененная область перекрывает диапазон эха, не содержащим импульсы Штарка. (D) Задержка эха АЧГ против интенсивности импульсов Штарка. Линейное приближение (красная пунктирная линия) взаимодействует с 50 пс/фотон. (E) Снижение эффективности эха АЧГ с интенсивностью импульса Штарка, вызванное искривлением АЧГ в связи с неоднородным Штарковским перемещением в нанорезонаторе.

Источник: phys.org

Комментарии: