Группа ученых из Института квантовой оптики Макса Планка, Германия, возглавляемая профессором Герхардом Ремпе (Gerhard Rempe), разработала, создала и продемонстрировала работоспособность устройства длительного хранения фотонных кубитов, основой которого является единственный атом, заключенный в ловушку специального оптического резонатора. Время надежного хранения квантовой информации, носителем которой является фотон света, составляет порядка 100 миллисекунд, и такого времени уже вполне достаточно для создания глобальных квантовых коммуникационных сетей, связывающих самые удаленные точки на земном шаре.
Фотоны света являются идеальными носителями квантовой информации, но их передача на большие расстояния сопряжена с рядом трудностей, чем больше расстояние передачи, тем менее эффективной и менее надежной становится она из-за возрастающих потерь. Для предотвращения потерь квантовой информации может быть использовано явление прямой квантовой телепортации между двумя соседними узлами сети. При этом, в специальном устройстве создаются два запутанных фотона, один из которых отправляется в сторону получателя, а второй должен храниться на стороне отправителя все то время, пока первый фотон не достигнет точки назначения. И если рассмотреть две самые удаленные точки на земном шаре, то время хранения одного из запутанных фотонов должно быть не менее 66 миллисекунд.
В 2011 году группа профессора Ремпа разработала технологию хранения фотонного кубита при помощи единственного атома, помещенного в центр оптической впадины. Эта впадина формируется при помощи двух высококачественных зеркал, а в ее объеме возникает оптическая стоячая волна, удерживающая атом. Когда фотон-кубит, находящийся в состоянии квантовой суперпозиции его поляризации, поглощается этим атомом, атом также переходит в состояние суперпозиции и становится запутанным с фотоном, который перемещается в сторону получателя по обычным оптоволоконным линиям. И главной задачей, стоящей перед учеными, было сохранение квантового состояния атома в течение максимально возможного времени. Отметим, что во время предыдущих экспериментов, время сохранения квантового состояния атома ограничивалось сотнями микросекунд.
Главной помехой извне, которая разрушает квантовое состояние атома-хранилища, является переменное магнитное поле из окружающей среды. Для противодействия влиянию внешних магнитных полей ученым пришлось предпринять несколько мер и прибегнуть к определенным уловкам. Сразу после передачи квантовой информации от фотона к атому, квантовое состояние атома искусственно изменяется с одного вида на другой за счет использования пары лучей лазерного света, которые инициируют так называемый Рамановский переход. Находящийся во “вторичном” квантовом состоянии атом в 500 раз менее чувствителен к колебаниям магнитных полей.
Такой подход позволил сразу получить время хранения квантовой информации, равное 10 миллисекундам, в течение которых квантовое состояние поглощенного фотона и вторичного фотона, излученного атомом, будут абсолютно идентичны с вероятностью 90 процентов. Кроме этого, время хранения квантовой информации было увеличено еще в 10 раз за счет использования эффекта “спин-эха”. Этот эффект позволяет снова сменить вид квантового состояния атома-хранилища, и производится это действие приблизительно на середине промежутка времени хранения информации.
“Наша работа позволила создать одну из двух частей, необходимых для создания глобальных квантовых коммуникационных сетей – устройство длительного хранения фотонных кубитов” – рассказывает Мэттиас Кербер (Matthias Korber), один из исследователей, – “Теперь нам осталось решить проблему надежной передачи фотонов-кубитов на большие расстояния, но это потребует, без сомнений, проведения достаточно сложных, длительных исследований и экспериментов”.