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
Его эффективность составила 78 процентов
Японские физики создали сверхпроводящий детектор одиночных фотонов шириной 20 микрометров. Вне зависимости от поляризации эффективность регистрации фотонов в нем составляет около 78 процентов, говорится в статье, опубликованной в журнале Optica Quantum. Однофотонные детекторы — одна из ключевых технологий в квантовой оптике и информатике. Например, они используются для передачи и шифрования информации. Чаще всего в качестве однофотонных детекторов используют сверхпроводящие проволочки, имеющие характерную толщину порядка сотни нанометров. Такие детекторы имеют ряд ограничений, начиная от сложности производства и заканчивая зависимостью эффективности регистрации фотонов от их поляризации. Эти проблемы могут быть решены при увеличении толщины сверхпроводящих полосок до нескольких микрометров. Однако регистрация одиночных фотонов в сверхпроводящих детекторах с характерной толщиной в несколько десятков микрометров — до сих пор сложная задача. Основной проблемой на этом пути является рост темнового тока при увеличении толщины детекторов. Физики под руководством Масахиро Ябуно (Masahiro Yabuno) из Национального института информации и коммуникационных технологий в Кобе представили первый широкий сверхпроводящий однофотонный детектор на основе нитрида ниобия титана NbTiN. Его ширина составила 20 микрометров, а проблему темнового тока ученые решили, изменив структуру детектирующей полоски. В новом детекторе создавалось сразу два разных критических тока, причем краевые области имели более высокие критические токи, чем центральная. Такая структура блокирует вихревое проникновение токов в центральную область, тем самым уменьшая темновой счет. Это позволяет равномерно приложить более высокий ток смещения к центральной области полосы. При этом боковые области полосы не задействованы при регистрации фотонов, что уменьшает влияние на характеристики детектора возможных краевых дефектов, возникающих при производстве. Чтобы добиться такой структуры, физики облучали центральную область полоски нитрида ниобия титана пучком ионов аргона. Такая процедура эффективно снижает критическую температуру и максимальный ток в тонкой сверхпроводящей полосе. Ученые отмечают, что на сегодняшний день неизвестно, почему пучок ионов аргона так действует на сверхпроводящую полоску. Однако при помощи такого метода Ябуно с коллегами создали образец однофотонного детектора с новой сверхпроводящей структурой. Ученые сравнили характеристики нового детектора с детектором такой же ширины, изготовленным обычным способом, а также с детектором, который подвергся облучению ионами аргона по всей ширине. Во всех случаях физики облучали детекторы фотонами с длиной волны 1550 нанометров. Эксперименты производились при двух температурах 0,76 и 2,2 кельвин. В обоих случаях в детекторе с новой структурой удалось приложить более высокие токи смещения и выйти на плато по эффективности регистрации фотонов без неконтролируемого роста темнового счета. После оптимизации нового детектора удалось достичь 78 процентов эффективности регистрации одиночных фотонов при уровне около 80 шумовых отсчетов в секунду при температуре 0,76 кельвин. При этом из-за большой ширины детектора, эффективность регистрации фотонов не зависела от их поляризации. Такая технология может упростить и удешевить производство однофотонных детекторов, необходимых для квантовых вычислений. Другое направление развития таких детекторов — увеличение их пропускной способности. Ранее мы рассказывали, как однофотонный детектор научили считать до четырех.
