25 сентября 2014 в журнале European Physical Journal D была опубликована статья с описанием нового метода кодирования квантовой информации. Мы попросили прокомментировать эти результаты одного из авторов исследования, сотрудника кафедры общей физики I физического факультета СПбГУ Антона Ветлугина.
Работа квантовых устройств, как созданных, так и разрабатываемых, основана на мощном ресурсе — квантовых состояниях физических объектов, не имеющих аналогов в классической физике. Есть целый набор таких специфических состояний: вакуумное, сжатое, перепутанное, состояния с заданным числом возбуждений и так далее. В указанных выше состояниях могут находиться совершенно разные физические объекты: одни из них хороши для быстрой передачи квантовых состояний на расстояния, другие — для их хранения и обработки. Устройство, позволяющее переносить квантовое состояние одного объекта на другой и обратно, называется квантовой памятью.
Для передачи квантовых состояний естественно использовать световые поля, преимущества которых очевидны: большая скорость распространения и возможность изолировать свет от воздействия окружающей среды. Но когда необходимо задержать свет, находящийся в интересном квантовом состоянии, с тем чтобы воспользоваться им позже, его первое преимущество (скорость распространения) становится его недостатком. В этом случае и применяют протокол квантовой памяти — организуется взаимодействие между светом и веществом таким образом, чтобы к концу этого взаимодействия квантовое состояние светового поля было перенесено на состояние вещества (к веществу в этом случае предъявляется требование — долго хранить квантовое состояние, причем для задач квантовой информации нескольких микросекунд — это уже «долго»).
Сразу возникает проблема, следующая из другого преимущества (изолирование от окружающей среды): сложность в организации сильного взаимодействия между светом и веществом, что необходимо для полного переноса состояния света на состояние вещества. Для решения этой проблемы вещество помещают в оптический резонатор — систему зеркал, заставляющих свет «пробегать» через вещество много раз, а также увеличивают концентрацию вещества, то есть вместо, скажем, одного атома используют ансамбль атомов. Отображение состояния света на состояние вещества называется записью; обратный процесс, то есть перенос записанного в вещество состояния на состояние светового поля, называется считыванием. Между двумя этими процессами квантовое состояние хранится в веществе.
Есть несколько критериев, по которым оценивается «качество» квантовой памяти. Один из наиболее значимых — эффективность, которая для полного цикла (запись и считывание) определяется как отношение энергии считанного светового поля к энергии прилетевшего поля на этапе записи. То есть если эффективность равна 100%, то память работает идеально — мы можем полностью записать и восстановить прилетевшее световое поле. На сегодня достигнутая экспериментально эффективность полного цикла памяти близка к 90%.
Другой важный параметр квантовой памяти — емкость. Световое поле зачастую удобно разложить на составляющие, каждая из которых развивается независимо от остальных составляющих этого поля. Такие составляющие называются модами, каждая мода может находиться в своем квантовом состоянии. Так вот емкость и оценивает количество мод светового поля, которые могут быть записаны и храниться в памяти. Именно применение ансамбля атомов позволяет реализовать многомодовые памяти.
Схема параллельной квантовой памяти в резонаторной конфигурации для встречной (слева) и ортогональной (справа) геометрии записываемого и опорного полей. Символом As обозначено записываемое поле, символом Ap — опорное поле; куб в центре обозначает ансамбль атомов, помещенных в резонатор, состоящий из четырех зеркал. На левой панели внизу изображена энергетическая схема атомов и соотношение частот световых полей. Изображение из обсуждаемой статьи.
В статье теоретически изучается пространственно многомодовая квантовая память, то есть световое поле, которое должно быть записано, представляется набором пространственных мод (составляющих), которые отличаются друг от друга направлением распространения. На другом языке, прилетающее поле представляет собой изображение, пиксели которого являются модами поля. Все моды прилетают одновременно и одновременно записываются в квантовую память, поэтому она называется «параллельной», то есть параллельно идет обработка целого набора мод. Запись и считывание светового поля осуществляются с помощью дополнительного опорного поля, распространяющегося навстречу (встречная геометрия, см. рисунок слева) или под углом 90° (ортогональная геометрия, см. рисунок справа) относительно записываемого поля, как в схеме голографии на трехмерных средах Ю.Н. Денисюка. Таким образом, рассматриваемая схема памяти является квантовым обобщением объемной голографии с использованием резонатора, где запоминаются не только распределения амплитуд и фаз светового поля, но и его квантовые свойства.
Значительный акцент в статье сделан на исследовании свойства «адресуемости» квантовой памяти, то есть возможности считать желаемую моду поля (при записанной совокупности мод), отделив ее от остальных компонент. Изучены два вида адресуемости. В первом случае, при встречной геометрии опорного и записываемого полей, удается организовать 2D-адресуемость в пространстве: записывается импульс пространственно многомодового света, а при считывании появляется возможность направлять желаемую моду в другом (требуемом) направлении, при этом управление распространением моды осуществляется по двум углам. То есть если при записи мода под условным номером 100 распространялась под некоторым углом относительно оси резонатора, то при считывании можно ее направить, скажем, вдоль оси резонатора.
Второй вид адресуемости осуществляется при ортогональной геометрии опорного и записываемого полей. В этом случае удается записать уже не один пространственно многомодовый импульс света, а много таких импульсов, следующих друг за другом. Теперь адресуемость «позволяет» восстанавливать эти квантовые импульсы в любой последовательности, при этом еще и сохраняется возможность 1D-адресуемости в пространстве — управление углом распространения мод в одной плоскости. Оба вида адресуемости осуществляются за счет изменения углов распространения опорного поля на этапе записи и считывания. Также в статье рассмотрены способы увеличения эффективности записи светового поля, произведена оценка числа эффективно запоминаемых мод (емкости памяти).
В заключение стоит отметить, что квантовые технологии способны существенным образом изменить нашу жизнь. Уже сегодня любой желающий, обладающий круглой суммой денег, может приобрести систему квантовой криптографии — систему передачи данных, за безопасность которой отвечают не сложные алгоритмы шифрования, а законы природы. В ведущих лабораториях мира ведутся работы по улучшению протоколов квантовых повторителей, способных обеспечить передачу квантовой информации на большие расстояния. Делаются небезуспешные шаги к созданию квантовых вычислительных устройств, открывающих принципиально новые возможности для моделирования сложных систем, реализации новых алгоритмов для решения задач, которые недоступны классическому компьютеру, и так далее. Квантовая память является либо неотъемлемой частью перечисленных квантовых протоколов, либо способна существенно расширить их возможности.
Источник: Постнаука
