Физики научились хранить кубиты со временным кодированием 20 миллисекунд

Физики продемонстрировали работу квантовой памяти для хранения кубитов со временным кодированием на основе кристалла ¹⁵¹Eu³⁺:Y₂SiO₅. Они показали, что такая память способна хранить их до 20 миллисекунд, демонстрируя на выходе степень совпадения равную 85 процентам для одного фотона на кубит. Исследование опубликовано в npj Quantum Information.

Физики говорят о кубите, когда имеют дело с простейшей квантово-механической системой, которая может находиться в двух различных состояниях, а также в их квантовой суперпозиции. Отличительной особенностью кубитов стало то, что они могут быть запутаны друг с другом. Запутанность подразумевает наличие неклассических корреляций, и выражается через невозможность представить состояние двух или нескольких кубитов через произведение соответствующих одночастичных состояний.

Определение, приведенное выше, достаточно общее. Это обуславливает огромное количество физических систем, которые были предложены для реализаций кубитов. Они не только различаются по типу физических носителей, (например, фотоны, электроны, ядра, сверхпроводящие контуры и так далее), но и по их характеристикам, которые кодируют кубит. Например, у тех же фотонов квантовая информация может храниться в поляризации, их числе, а также во временных свойствах. В последнем случае систему называют кубитом со временным кодированием (time-bin qubit, TB-кубит). Состояние такого кубита представляет собой суперпозицию состояний, соответствующих фотону, который движется с различной временной задержкой. Обычно фотон, прибывающий раньше, соответствует состоянию |0>, а позже — |1>. Простейшим способом создания такого кубита стал интерферометр, чьи плечи имеют различную длину.

Впрочем, мало создать фотонные кубиты, надо также уметь ими манипулировать, а также ретранслировать их запутанность дальше в системе повторителей. Последнее необходимо в приложениях распределения квантового ключа на большие расстояния, распределенных квантовых вычислениях и квантовых симуляциях. Перспективным подходом к созданию соответствующих узлов стали кристаллы, допированные редкоземельными ионами. На сегодня наибольшее время хранения квантовой информации в таких средах не превышает одной миллисекунды. Однако даже краткосрочным квантовым повторителям требуется время хранения не менее 10 миллисекунд, хотя, скорее всего, оно должно быть в десятки раз больше. Это служит мотивацией для поиска условий, которые могли бы продлить когерентность редкоземельных ионов.

Физики из Франции и Швейцарии при участии Микаэля Афзелиуса (Mikael Afzelius) сообщили о том, что им удалось добиться времени хранения кубитов со временным кодированием равного 20 миллисекундам в кристалле ¹⁵¹Eu³⁺:Y₂SiO₅. Этого удалось добиться применением к кристаллу техники динамической развязки и небольшого магнитного поля. Извлеченные из кристалла фотоны продемонстрировали степень совпадения (fidelity) равную 85 процентам для среднего количества фотонов на кубит равного 0,92.

В основе квантовой памяти, созданной авторами, лежит механизм фотонного эха. Этот эффект заключается в обратимости эволюции когерентных атомных состояний с помощью правильно подобранной серии управляющих импульсов. В результате атомный ансамбль, поглотивший некоторую сигнальную последовательность импульсов, после некоторых манипуляций переизлучает ее обратно.

Для хранения TB-кубитов с помощью фотонного эха требуется одновременное хранение нескольких временных мод. Для этого физиками была придумана концепция атомных частотных гребенок — то есть спектра поглощения кристалла, состоящего из эквидистантных линий. Для создания таких гребенок физики как правило используют серию мощных импульсов с частотным интервалом, работающих за счет эффекта электромагнитно-индуцированной прозрачности.

Основной ⁷F₀ и возбужденный ⁵D₀ термы иона Eu³⁺, использованного в работе, разделяет оптический переход на длине волны 580 нанометров. Из-за наличия ядерного спина каждый из них расщепляется на три сверхтонких дуплета с интервалами порядка нескольких десятков мегагерц. Эта структура позволила авторам выбрать Λ-схему, в которой решетка наводится на первый подуровень основного терма (|g>), переход с него на первый подуровень возбужденного терма (|e>) нужен для записи кубита, а второй подуровень основного терма (|s>) нужен для его долгосрочного хранения.

Протокол эксперимента начинался с создания атомной частотной гребенки в кристалле в небольшом магнитном поле, за которым следовало поглощение фотонов, информация с которых должна быть сохранена. Следом физики облучали кристалл мощным и близким по частоте передаточным импульсом, который переводил возбуждение в состояние |s>. Радиочастотное поле, создаваемое катушкой, обернутой вокруг кристалла, динамически подавляло (развязывало) взаимодействие между спиновой когерентностью состояния и внешними возмущениями, а также компенсировало дефазировку, вызванную неоднородным уширением перехода |g>↔|s>. Протокол завершался еще одним передаточным импульсом, который возвращал атомы в состояние |e>, откуда они излучали те же самые фотоны.

В схеме, реализованной авторами, удалось достичь хранения шести различных мод. Анализ времени когерентности показал, что до некоторой степени оно растет с увеличением числа импульсов развязки вплоть до 230 миллисекунд. Однако эксперименты с одиночными фотонами показали, что при временах, превышающих 20 миллисекунд, шум становится слишком большим. Наконец, физики посмотрели, как кристалл будет хранить идеально чистое суперпозиционное состояние. Для этого они кодировали раннее состояние с помощью второй и третьей моды, а позднее — с помощью пятой и шестой, и запускали соответствующие фотоны в кристалл. Томография выходных состояний показала, что их степень совпадения равна 85 ± 2 процентов для среднего количества фотонов на кубит равного 0,92 ± 0,04.

Ранее мы уже рассказывали, как другой редкоземельный ион — иттербий, — помещенный в оптический резонатор, продемонстрировал высокую когерентность спинового состояния и быстрое его считывание.

Марат Хамадеев