Область квантовых коммуникаций переживает сейчас период бурного развития. В этом направлении было уже сделано множество открытий и разработан ряд технологий, при помощи которых в некоторых местах на земном шаре разворачиваются квантовые сети, использующие квантовое состояние фотонов света в качестве носителя информации. Однако, основным “камнем преткновения” квантовых коммуникационных технологий являются устройства квантово-оптической памяти, ключевые компоненты, которые служат для кратковременного хранения информации и кодирования этой информации в фотонах. К сожалению, все использующиеся на сегодняшний день устройства квантово-оптической памяти являются достаточно большими для того, чтобы их можно было размещать прямо на кристаллах специализированных чипов.
Недавно, группа исследователей из Калифорнийского Технологического института, Национального института стандартов и технологий и университета Вероны, Италия, закончила создание и испытания нового устройства квантово-оптической памяти, размер которого минимум в 1000 раз меньше, чем размеры всех других подобных устройств. Помимо того, что такое устройство отлично “впишется” на кристалл коммуникационного чипа, оно обладает весьма высоким показателем энергетической эффективности.
Основой нового устройства является наноразмерная оптическая впадина, совмещенная с кристаллическим резонатором. Такая комбинация позволяет значительно увеличить уровень взаимодействия между единичными фотонами света и атомами неодима. Устройство квантово-оптической памяти работает, сохраняя отдельные фотоны света в крошечных группах атомов неодима, а сами эти атомы “заключены в ловушке” решетки кристалла ортованадата иттрия (yttrium orthovanadate, YVO).
Для того, чтобы атомы неодима стали способны хранить фотоны, они предварительно подготавливаются при помощи последовательности импульсов лазерного света так, чтобы их спектр поглощения был сформирован в виде частотной гребенки. Такая подготовка гарантирует, что после момента поглощения фотонов атомами, эти фотоны будут переизлучены обратно ровно через 75 наносекунд.
В промежутке после поглощения фотонов атомами и переизлучением фотонов атомы подвергаются воздействию пары дополнительных импульсов лазерного света, которых могут вызвать дополнительную задержку переизлучения до 10 наносекунд в зависимости от их интенсивности. Эта дополнительная задержка дает время устройству для проведения процесса неразрушающего поиска заключенных в фотонах данных.
При работе данного устройства памяти возникает интересный и необычный эффект. Фотоны, хранимые в атоме неодима, находятся в состоянии квантовой суперпозиции и они запутываются на квантовом уровне с первым и последним импульсом лазерного света. Эксперименты с устройством памяти показали, что волновая функция переизлученного фотона света практически соответствует волновой функции исходного фотона, другими словами, устройство квантово-оптической памяти способно хранить фотоны, не искажая содержащуюся в них квантовую информацию.
Стабильность работы нового устройства квантово-оптической памяти соответствует уровню стабильности работы других подобных устройств, несмотря на то, что их размеры отличаются более чем в тысячу раз. Во вторых, у устройств предыдущего поколения отсутствовала возможность осуществления поиска в хранимых в нем данных.
Для того, чтобы у людей появилась возможность использования нового устройства квантовой памяти в практических целях, ученым необходимо будет разработать более простую и удобную технологию массового производства таких устройств. Сейчас опытные устройства квантово-оптической памяти были изготовлены путем технологии травления и резки материала ионным лучом, которая представляет собой медленный процесс, требующий достаточно высоких энергетических затрат. И, параллельно с этим, исследователи собираются провести ряд дополнительных работ, направленных на увеличение эффективности устройства и увеличения времени хранения им информации.