Австралийцы создали прототип «квантового интернета» из элементов памяти на основе эрбия
Возможность составлять из отдельных квантовых компьютеров сложные сети упирается в необходимость удерживать квантовое состояние достаточно долгое время, превышающее время передачи сигнала. Австралийские ученые предложили использовать для этого элементы квантовой памяти на основе ионов эрбия, соединенных оптоволоконным кабелем. Время когеренции в такой системе составило более одной секунды, что на 4 порядка больше всех предложенных ранее вариантов. Работа опубликована в Nature Physics.
Любой компьютер, даже квантовый, в настоящее время не сможет реализовать весь свой потенциал, если он работает в одиночку. Объединение квантовых компьютеров в сети, информация внутри которых передается в виде световых пучков, может дать возможность для создания квантового интернета. Однако такая возможность упирается не столько в технические проблемы, сколько в фундаментальные физические. Для создания системы узлов, которыми являются элементы квантовой памяти, и каналов передачи информации между ними необходимо достаточно долго поддерживать когерентное состояние квантовых элементов. Управление квантовым состоянием при этом происходит с помощью оптического взаимодействия между отдельными фотонами и атомами. А время когеренции должно быть порядка времени передачи сигнала (то есть не меньше 100 миллисекунд).
В своей новой работе в качестве элемента такой сети элементов квантовой памяти физики предложили использовать ионы эрбия 167Er3+. Его квантовые свойства уникальны тем, что он работает в той же полосе, что и существующие сейчас оптоволоконные сети (в современных телекоммуникационных оптоволоконных сетях используется длина волны 1310 или 1550 нанометров, а основной оптический переход иона эрбия соответствует длине волны 1538 нанометров). Благодаря этому нет необходимости дополнительно преобразовывать сигнал при передаче между элементами. При этом устойчивость уровней сверхтонкого расщепления иона эрбия может достигать 23 дней. Разумеется, обладая такими свойствами, этот ион не мог не привлечь внимания исследователей, однако все предыдущие авторы пытались использовать для хранения информации сам оптический переход, а не расщепленные спиновые уровни. Поэтому эффективность таких устройств не превышала одного процента, а максимальное время хранения информации не превышало 50 наносекунд.
Состояние иона эрбия стабилизировалось кристаллической решеткой материала ионной ловушки Y2SiO5, в которую эрбий вводился в качестве допирующего элемента. Для увеличения времени жизни уровней сверхтонкого расщепления во время работы ученым пришлось использовать температуру не больше 3 кельвинов и магнитные поля до 7 тесла. Это позволило увеличить время жизни спинового состояния за счет подавления взаимодействий с другими электронами и с кристаллической решеткой материала ионной ловушки.
С помощью метода комбинационного эха и исследования динамики релаксации спинового состояния ученые смогли измерить время когеренции квантового состояния. Оказалось, что удерживать необходимое квантовое состояние в такой системе возможно на временных интервалах до 1,3 секунд. Это время больше, чем в 10 тысяч раз превышает результаты всех предыдущих попыток. По словам ученых, ион эрбия может быть использован либо как источник квантового сигнала, либо в качестве промежуточного звена при передаче информации по оптоволоконным каналам.
Таким образом, ученым удалось показать, что предложенный механизм с использованием ионов эрбия может быть использован для создания сетей из нескольких квантовых элементов памяти. Стоит отметить, однако, что сейчас работа таких устройств будет требовать очень низких температур и очень больших магнитных полей, что может заметно осложнить переход к их реальному использованию.
Недавно, используя элементы квантовой памяти на основе ионов рубидия, ученым удалось реализовать протокол прямой защищенной связи. Если все предложенные принципы работы таких сетей удастся совместить и реализовать при более приемлемых условиях, это может сильно приблизить действительное появление квантового интернета.
Александр Дубов
Статистическая значимость наблюдения составила около семи стандартных отклонений
В эксперименте SND@LHC на Большом адронном коллайдере зарегистрировали мюонные нейтрино со статистической значимостью около семи стандартных отклонений. Это второй эксперимент на Большом адронном коллайдере, который сообщил о надежной регистрации нейтрино. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters. Нейтрино — элементарная частица, которая обладает крайне малой массой и слабо взаимодействует с веществом. При этом она играет важную роль в физике. До недавнего времени свойства нейтрино изучали в основном в области низких или сверхвысоких энергий, и широкий диапазон от 350 гигаэлектронвольт до 10 тераэлектронвольт оставался неизученным. Наземным источником нейтрино в этом диапазоне энергий является Большой адронный коллайдер. Однако проблема заключается в том, что большая часть рождающихся в нем нейтрино летит вдоль протонного пучка — в слепой зоне основных детекторов, расположенных на коллайдере. Кроме того, из-за малого сечения взаимодействия, нейтринные события сложно выделить на фоне громадной загрузки детекторов от взаимодействий других частиц. Мы недавно писали, что с этой задачей справился эксперимент FASER, впервые зарегистрировав 153 мюонных нейтрино со статистической значимостью 16 стандартных отклонений. Физики из эксперимента SND@LHC сообщили, что им также удалось зарегистрировать мюонные нейтрино со статистической значимостью около семи стандартных отклонений. В отличие от эксперимента FASER, который регистрирует нейтрино с псевдобыстротами более 8,5, чувствительная область SND@LHC сдвинута от основной оси ускорителя, в результате чего он покрывает диапазон псевдобыстрот от 7,2 до 8,4. В этой области одним из основных источников нейтрино являются распады очарованных адронов, вклад которых в эксперименте FASER пренебрежимо мал. Детектор состоит из мюонного вето, 830-килограммовой мишени и адронного калориметра. Основная мишень поделена на пять слоев, каждый из которых включает вольфрамовую пластину, ядерную фотоэмульсию и электронный трекер. Данные с фотоэмульсий на данный момент еще обрабатываются, поэтому ученые провели анализ данных, набранных только при помощи электронных трекеров. Физики отобрали 8 событий по их геометрическому расположению в детекторе и сигнатуре, соответствующей ожидаемой от мюонных событий. При этом ожидаемый фон составил 0,086 события. Такое превышение сигнала над фоном исключает нулевую гипотезу на уровне 6,8 стандартного отклонения. Количество нейтринных событий в эксперименте оказалось больше ожидаемых 4,2 события. Однако результаты согласуются с предсказанием на основе компьютерного моделирования в рамках полученных ошибок. Большой адронный коллайдер становится новым инструментом для изучения нейтрино в пока плохо изученной области энергий. О том, какие новые технологии используют при изучении нейтрино в области низких энергий мы беседовали с Дмитрием Акимовым, представителем коллаборации COHERENT.