Высокоскоростная квантовая память для фотонов

Физики Базельского Университета разработали память, в которой могут храниться фотоны. Эти квантовые частицы движутся со скоростью света и поэтому подходят для передачи данных на высоких скоростях. Ученые смогли сохранить их в облаке атомов и вывести оттуда позже без особого изменения их квантовых характеристик. Технология памяти простая и быстрая, и она может найти применение в будущем квантовом Интернете. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Даже сегодня для быстрой передачи данных в телекоммуникационных сетях используются короткие световые импульсы. Технология сверхширокополосной передачи использует оптические оптоволокна, по которым информация может передаваться со скоростью света. На конце приемника переданная информация должна сохраняться быстро и без ошибок так, что впоследствии ее можно будет преобразовать в электронный вид на компьютере. Чтобы предотвратить ошибки передачи, каждый бит информации кодируется в относительно сильных световых импульсах, каждый из которых содержит, по крайней мере, несколько сотен фотонов.

На протяжении нескольких лет ученые по всему миру работали над приведением в действие таких сетей с отдельными фотонами. Кодирование одного бита на фотон не только очень эффективно, но также создает радикально новую форму обработки информации, основанную на законах квантовой физики. Эти законы позволяют отдельному фотону кодировать не только состояния 0 или 1 классического бита, но и суперпозицию обоих состояний в одно и то же время. Такие квантовые биты являются основой обработки квантовой информации, что может сделать возможным создание безопасной коммуникации и супер-быстрых квантовых компьютеров в будущем. Возможность хранить в квантовой памяти и получать из нее обратно отдельные фотоны является ключевым элементом для данных технологий, которые широко исследуются.

Команда физиков под руководством Филиппа Треутлейна и Ричарда Варбертона из Базельского Университета разработала чрезвычайно простую и быструю квантовую память, которая хранит фотоны в газе атомов рубидия. Лазер управляет процессами хранения и получения фотонов. Используемая технология не требует устройств охлаждения или сложного вакуумного оборудования и выполняется в очень компактной установке. Ученым также удалось подтвердить, что у данной памяти очень низкий уровень шума, что подходит для отдельных фотонов.

«Комбинация простоты установки, высокого диапазона частот и низкого уровень шума сможет сыграть большую роль для будущего применения в квантовых сетях», говорит автор статьи Джаник Уолтерс. Разработка таких квантовых сетей – одна из целей Национального Центра Подготовки Квантовой Науки и Технологий (NCCR QSIT) и Европейской Базовой Программы Исследований и Инноваций, которые спонсируют исследование. В будущем квантовые сети смогут послужить причиной создания безопасной коммуникации, сетей разных квантовых компьютеров и моделирования сложных физических, химических и биологических систем.

Пояснения к изображениям:

Fig. 1.

(a) Энергетические уровни линии Rb D_1 и переходов, включенных в эксперименты с памятью. Фактически, все атомы изначально подготавливаются в основном состоянии F = 1. Вертикально поляризованный сигнал, который необходимо сохранить, настраивается по ? из F = 1 ? F’ = 1, а горизонтально поляризованный управляющий лазер настраивается по ? из F = 2 ? F’ = 1. (b) Экспериментальная установка для эксперимента с памятью. EOM: электро-оптический модулятор, AWG; произвольный генератор сигналов специальной формы; TA: изохронный усилитель; PBS: поляризационный расщепитель пучка; RB: газовая ячейка; ?/2, ?/4: волновые пластины, детектор: отдельный лавинный фотодиод (APD), пара APD конфигурации Хэнбери Брауна и Твисса или отдельный APD при выводе сильно выведенного из равновесия интерферометра Маха-Цендера. (с) Форма импульсов сигналов, используемых для экспериментов хранения и получения, измеренная с временным расширением в 250 пс (левая панель) и его Фурье-преобразованием (правая панель). Последний изображает диапазон частот FWHM 0,66 ГГц.

Fig. 2.

Гистограмма времени прибытия фотонов, полученных в эксперименте с памятью со временем хранения 50 нс, при состоянии ввода когеренции в области, изображенной на Fig.1. 1(c) содержит один фотон при среднем [|a|^2 = 1.0(1)] и для заблокированного ввода сигнала (|a|^2 = 0). Размер бина составляет 1,3 нс. Сдвинутый по времени ввод импульса показан со значением (0,1 х входящий сигнал). Измеренный, очищенный от шумов цельный коэффициент установки памяти, включая фильтровальную систему, составляет ?_e2e^50ns = 3.4(3)%, а сигнал коэффициента шума SNR = 3.7(6) для уровня вводного импульса отдельного фотона.

Fig. 3.

(a) Типичная интерференция между двумя последовательно сохраненными и полученными импульсами, измеренная сквозь термальную фазу несбалансированного интерферометра Маха-Цендера. Время взаимодействия равно 1 c для каждой отметки. Для уровня импульса ввода отдельного фотона достигаются видимые полосы V = 0,65(5) («получение» волн). Шум при выводе показывает видимые полосы ниже V = 0,15, исходящие из случайных флуктуаций интенсивности. Для компенсации несовершенного совпадения моды интерферометра, данные нормализуются так, что лазер ввода показывает совместимые видимые полосы V = (max – min / max + min), где max (min) означает максимум (минимум) наблюдаемого фотонного потока, изображенного пунктирными линиями. (b) Вторая по порядку автокорреляция g^((2))(?) фотонов, полученных во время импульса ввода и процесса вывода, соответственно. Из-за загрязнения шумами сигналы вывода показывают g^((2))(0) = 1.3, в то время как в идельном эксперименте памяти предполагается g^((2))(0) = 1.0. Как ожидается для термальной (когерентной) радиации, шум вывода (сигнал ввода) проявляет g^((2))(0) = 2.0 [g^((2))(0) = 1.0]. Данные нормализованы до значений пиков ±600 нс, а входящий сигнал (получение) смещается на -16 (+16) нс для лучшей видимости.

Fig. 4.

Общий КПД для хранения и последующего получения экспериментально полученного сигнала как функция настройки ? для разных ситуаций. (i): Измеренные данные. Схема моделирования того же OD и его уровня, как и в эксперименте для (ii): экспериментально полученные им Гауссовы управляющие импульсы с максимальной мощностью 120 мВ (iii): Гауссовы управляющие импульсы с наивысшей лазерной мощностью, (iv): импульсы оптимального управления. Моделирование подавляемых паразитных переходов отдельных фотонов (v): OD = 5 и (vi): OD = 35.

Остальные результаты экспериментов см. в приложении. Оригинал статьи прикреплен к записи.

Источник:

https://phys.org/news/2017-09-high-speed-quantum-memory-photons.html

Источник: phys.org

Комментарии: