Память для узла квантовой сети на основе ионов проработала десять секунд

Британские физики продемонстрировали десятисекундное хранение ион-фотонной запутанности в кубите памяти, перенесенной на него с узлового кубита. За это время узловой кубит успел запутаться с новым фотоном. В перспективе это позволит строить квантовые сети на основе ионов и фотонов. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Распределенные квантовые вычисления или коммуникации невозможны без создания квантовых сетей. Их базовая архитектура включает в себя узловые кубиты, которые запутываются друг с другом посредством кубитов-переносчиков. Перспективной физической платформой для этого стало ион-фотонное решение. Ионы — рекордсмены по времени хранения квантовой информации, а передача запутанности между двумя узлами в такой сети достигла 230 метров.

Однако, долгое время когерентности не всегда сочетается с эффективностью ион-фотонного запутывания. Чтобы добиться и того, и другого, можно ввести дополнительные кубиты памяти, куда будет временно передаваться квантовая информация. Такой подход хорош еще и тем, что, из-за разности частот, на которых откликаются ионы, воздействие на узловой ион можно сделать несущественным для иона памяти и не вызывающим декогеренцию.

Реализовать этот принцип на практике вызвалась группа физиков из Оксфордского университета при участии Питера Дрмота (Peter Drmota). Они проводили эксперименты с парой ионов ⁸⁸Sr⁺-⁴³Ca⁺ (двухионным кристаллом), помещенных в ловушку Пауля при комнатной температуре. Ион стронция легко было запутывать с фотоном благодаря его энергетической структуре, поэтому он играл роль узлового кубита. Ион кальция же известен большим временем когерентности, и потому был кубитом-хранилищем.

Каждый этап эксперимента начинался с испускания ионом стронция фотона сразу в несколько сверхтонких подуровней основного состояния. Подуровни отличались спином, что сказывалось на поляризации фотона, поэтому суперпозиция отдельных каналов излучения запутывала ион и фотон.

Затем физики переносили запутанность с узлового кубита на кубит памяти. Для этого ловушка с ионами облучалась двумя встречными лазерными лучами, слегка отстроенными друг от друга, чтобы индуцировать комбинационный (рамановский) переход. По оценкам физиков степень совпадения (fidelity) этой операции оказалась равной 0,977(7).

Томография такой запутанности показала, что перенос квантового состояния на кубит памяти увеличивает время хранения примерно в 70 раз по сравнению с хранением в узловом кубите. Однако динамическое подавление эффектов декогеренции позволило поднять и это время на два порядка, доведя его до десяти секунд со степенью совпадения 0,81(4). Оказалось, что за это время можно успеть снова инициировать узловой ион и запутать его со вторым фотоном.

Использование иона посредника при проведении каких-либо квантовых манипуляций называется квантовой логикой. Мы уже рассказывали, как этот подход помог изучить неупругие соударения холодных атомов и ионов в ловушке.