Атомный газ обменялся с кристаллом квантовыми состояниями

Испанские ученые впервые передали с помощью фотонов квантовые состояния между облаком холодных атомов рубидия-87 и кристаллом Pr³⁺:Y₂SiO₅. Статья опубликована в Nature.

Чтобы построить квантовую сеть, необходимо не только сохранять квантовые состояния в течение долгого времени, но и передавать их между узлами сети. Удобнее всего использовать для этого фотоны, поскольку их легко передать на большие расстояния. К тому же для этого можно использовать широко распространенные оптоволоконные сети. На данный момент ученым уже удалось передать состояния между атомными ансамблями, одиночными атомами, пойманными в ловушку, или квантовыми кристаллами.

Каждый из способов, использованных для сохранения квантовых состояний в этих экспериментах, имеет свои достоинства и недостатки. В то же время, в сложной квантовой системе хотелось бы использовать преимущества различных подходов. Ученые уже пытались построить гибридную сеть, например, связывая холодные облака ионов ⁹Be⁺ и ²⁵Mg⁺. Однако во всех предыдущих экспериментах квантовые состояния передавались с помощью электрического взаимодействия или микроволновых фотонов, и расстояние передачи было сильно ограниченно. На этот раз физики связали квантовые системы принципиально различной природы с помощью фотонов, частота которых лежит в телекоммуникационном диапазоне (то есть наиболее удобна для оптоволоконной связи).

Экспериментальная установка разделялась на две части, соединенных десятиметровым оптическим кабелем. В одной ее части ученые удерживали в магнитооптической ловушке облако холодных ионов ⁸⁷Rb. Время от времени исследователи светили на это облако лазером, и в результате в нем возникали спиновые волны, отвечающие некоторому долгоживущему квантовому состоянию. Спустя некоторое время облако излучало скоррелированные одиночные фотоны. Эти фотоны физики разделяли на два потока, один из которых регистрировали с помощью детектора D1, а другой направляли в специальное устройство (quantum frequency conversion device), которое изменяло длину волны частиц с 780 до 1552 нанометров. Затем фотоны направлялись в оптоволоконный кабель и попадали в другую часть установки, расположенную в соседней лаборатории.

Здесь фотоны снова меняли длину волны с 1552 до 606 нанометров и направлялись на кристалл ортосиликата иттрия Y₂SiO₅, легированный ионами  Pr³⁺ и охлажденный до температуры 3,5 Кельвинов. Для записи и хранения состояний в кристалле ученые использовали атомную частотную гребенку. Этот принцип использует световые волны, спектр которых имеет ярко выраженные линии поглощения, отстоящие друг от друга на равное расстояние (поэтому спектр напоминает гребенку, расческу). В данном случае ширина гребенки составила 400 мегагерц, а расстояние между зубьями – 400 килогерц (что отвечает линиям поглощения Pr³⁺). В результате фотоны сохранялись в такой системе в течение 2,5 микросекунд, а затем заново излучались. Наконец, полученные фотоны физики регистрировали с помощью детектора D2. 

Затем ученые проверили, связаны или нет фотоны, пойманные детекторами D1 и D2. Для этого они рассчитали функцию их взаимной корреляции для различных вероятностей возбуждения фотонов. Оказалось, что при вероятности около пяти процентов скоррелированность фотонов составила примерно g_w,r⁽²⁾ = 11,4 ± 2,4, что указывало на сохранение квантового состояния при передаче. При увеличении вероятности скоррелированность быстро падала до классического предела g_w,r⁽²⁾ = 2. Так или иначе, этот эксперимент показал, что квантовые состояния между кубитами разной природы передать можно.

Ранее физики уже получали запутанные фотоны с длинами волн, лежащими в телекоммуникационном диапазоне, лучше всего подходящим для передачи по существующим каналам связи. Также мы писали о том, как физики из Российского Квантового Центра построили и улучшили сеть для квантовых коммуникаций, работающую в городских условиях.

Дмитрий Трунин