Достигнута рекордная эффективность квантовой памяти
Исследователи из Laboratoire Kastler Brossel (LKB) в Париже преодолели ключевой барьер в производительности квантовой памяти. Их работа позволила обеспечить первое безопасное хранение и извлечение квантовых бит.
Физики в LKB более чем удвоили эффективность хранения оптического кубита — от 30 процентов до почти 70 процентов. Квантовая память необходима для будущих квантовых сетей. Возможность синхронизации квантовых бит имеет приложения в протоколах квантовой связи на большие расстояния или вычислительных алгоритмах. Благодаря КПД более 50%, квантовая память теперь обеспечивает безопасность протокола.
«Достигнутая эффективность может повысить масштабируемость квантовой сети, а также проложить путь к передовым задачам, где эффективность играет важную роль, например, в сертификационных протоколах или квантовых деньгах», — говорит доктор Кун Хуан, докторант и ведущий автор исследования. «Это устройство теперь может быть в центре многих сложных исследований для квантовых сетей».
В последние годы квантовая память была реализована во множестве материалов, таких как ионы, кристаллы и холодные атомы, которые позволяют контролировать взаимодействие между носителем информации, обычно фотоном, и физической средой для хранения. Тем не менее, никакая память не могла до сих пор сохранить и получить кубит с вероятностью успеха более 30 процентов.
В онлайн-выпуске Nature Communications проф. Жюльен Лаурат и его команда из LKB, входящей в Сорбоннский университет и CNRS, сообщили, что они сохранили оптические кубиты с рекордной эффективностью 70 процентов, сохраняя при этом точность входного кубита более 99 процентов.
«Мы выбрали ряд ключевых элементов и смогли в первый раз объединить их в одну настройку. Эта работа была ключевой для достижения максимальной эффективности на сегодняшний день для хранения и считывания оптического кубита», — говорит Пьер Верназ-Грис , бывший докторант, который провел эксперимент и один из двух ведущих авторов статьи.
Эксперимент включает преобразование фотонного кубита в атомное возбуждение атомов цезия, охлаждаемых лазером. В соответствии с протоколом электромагнитно-индуцированной прозрачности управляющий лазерный луч делает среду прозрачной и замедляет подачу сигнала, несущего информацию. Когда сигнал содержится в облаке атомов и пульт управления выключен, информация преобразуется в коллективное возбуждение атомов, которое сохраняется до тех пор, пока контрольные лучи не будут снова включены.
Этот метод, освоенный в LKB, уже использовался для экспериментов с квантовой памятью в предыдущие годы, но эффективность процесса во многом зависит от количества атомов, участвующих в взаимодействии. Поэтому команда Лаурата подготовила очень удлиненное облако ультрахолодных атомов (почти три сантиметра в длину), что позволило обеспечить эффективное хранение.
Прорыв произошел, когда исследовательская группа смогла выполнить пространственное мультиплексирование облака сжатого атома. LKB удается одновременно получать как эффективное хранение, так и пространственное мультиплексирование, в дополнение к высокому соотношению «сигнал / шум».
Эта демонстрация следует за другими работами, которые группа Лаурата сделала в последние годы, включая реализацию квантовой памяти с множественной степенью свободы или первоначальную демонстрацию остановленного света в оптическом волокне.
Больше информации: Highly-efficient quantum memory for polarization qubits in a spatially-multiplexed cold atomic ensemble, Nature Communications 9, 363 (2018) DOI: 10.1038/s41467-017-02775-8