Изображение квантовой памяти, прикрепленной к оптическому волокну. Предоставлено: ICFO/С. Гранди.

Квантовая память — один из строительных блоков будущего квантового интернета. Без них было бы практически невозможно передавать квантовую информацию на большие расстояния и расширяться до настоящей квантовой сети. Задача этих воспоминаний состоит в том, чтобы получать квантовую информацию, закодированную в фотоне в виде кубитов, сохранять ее и затем извлекать. Квантовая память может быть реализована в различных материальных системах, например ансамблях холодных атомов или легированных кристаллов.

Чтобы быть полезными воспоминаниями, они должны соответствовать нескольким требованиям, таким как эффективность, продолжительность и мультиплексирование их емкости хранения, чтобы гарантировать качество квантовой связи, которую они будут поддерживать. Еще одним требованием, которое стало предметом серьезных исследований, является разработка квантовой памяти, которая может быть напрямую интегрирована в оптоволоконную сеть.

В последние годы и с бумом квантовых технологий было много работы, направленной на улучшение масштабируемости существующих квантовых запоминающих устройств (сделать их меньшими и/или более простыми устройствами), чтобы облегчить их интеграцию и развертывание в реальной рабочей сети. Такой полностью интегрированный подход сопряжен с несколькими физическими и инженерными препятствиями, включая поиск решения, сохраняющего хорошие свойства когерентности, создание эффективной и стабильной системы для передачи фотонов из оптических волокон в квантовую память, а также миниатюризацию системы управления квантовая память и ее интерфейс с входящим светом. Все это должно выполняться при достижении того же уровня производительности, что и в «стандартных» массовых версиях устройства. Это до сих пор оказалось сложной задачей,

С ясностью этих целей в недавней работе, опубликованной в журнале Science Advances , исследователи ICFO Елена Раконяк, Дарио Лаго-Ривера, Алессандро Сери и Самуэле Гранди под руководством профессора ICREA Хьюга де Ридматтена в ICFO в сотрудничестве с Джакомо Корриелли и Роберто Оселламе из IFN-CNR и Маргерита Маззера из Университета Хериот-Ватт смогли продемонстрировать запутанность между встроенной в волокно квантовой памятью и фотоном телекоммуникационной длины волны.

Особая квантовая память

В своем эксперименте команда использовала кристалл, легированный празеодимом, в качестве квантовой памяти. Затем внутри памяти лазером был записан волновод. Это микрометровый канал внутри кристалла, который удерживает и направляет фотон в ограниченном пространстве. Затем к обеим сторонам кристалла были присоединены два идентичных оптических волокна, чтобы обеспечить прямой интерфейс между фотонами, несущими квантовую информацию , и памятью. Эта экспериментальная установка позволила создать оптоволоконное соединение между квантовой памятью и источником фотонов.

Чтобы доказать, что эта интегрированная квантовая память может хранить запутанность, команда использовала источник запутанных пар фотонов, где один фотон совместим с памятью, а другой — на длине волны телекоммуникаций. С помощью этой новой установки они смогли хранить фотоны от 2 мкс до 28 мкс и сохранять запутанность пар фотонов после хранения. Полученный результат является значительным улучшением, поскольку время хранения запутанности, показанное командой, в 1000 раз больше (на три порядка), чем у любого другого предыдущего устройства, интегрированного в оптоволокно, которое использовалось до сих пор, приближаясь к характеристикам, наблюдаемым в объемных квантовых запоминающих устройствах.

Это стало возможным благодаря полностью интегрированному характеру устройства, что позволило использовать более сложную систему управления, чем в предыдущих реализациях. Наконец, поскольку запутанность была разделена между видимым фотоном, хранящимся в квантовой памяти, и фотоном на телекоммуникационных длинах волн, команда также доказала, что система полностью совместима с телекоммуникационной инфраструктурой и подходит для квантовой связи на большие расстояния.

Демонстрация интегрированной квантовой памяти этого типа открывает много новых возможностей, особенно в отношении мультиплексирования, масштабируемости и дальнейшей интеграции. Как подчеркивает Елена Раконяк, «этот эксперимент вселил в нас большие надежды в том смысле, что мы предвидим, что в одном кристалле можно будет изготовить множество волноводов, что позволит хранить множество фотонов одновременно в небольшой области и максимизирует возможности характеристик кристалла. Поскольку устройство уже подключено к оптическому кабелю, его также можно легко соединить с другими компонентами на основе оптоволокна».

В заключение Хьюг де Ридматтен заявил, что «мы в восторге от этого результата, который открывает много возможностей для памяти, интегрированной в оптоволокно. Ясно одно: этот конкретный материал и способ создания волноводов позволяют нам достичь характеристик, близких к объемной памяти. В будущем, расширение хранилища до спиновых состояний позволит извлекать сохраненные фотоны по запросу и приведет к длительному времени хранения, к которому мы стремились. Эта интегрированная в волокно квантовая память определенно показывает большие перспективы для будущего использования в квантовых сетях».