4.2. Квантовая память

 

Еще недавно некоторые ученые выражали сожаление о том, что с наибольшей интенсивностью ведутся работы над квантовым процессором, а другим необходимым компонентам квантового компьютера исследователи уделяют гораздо меньше внимания. Звучали, например, такие слова*: «...Квантовые компьютеры не могут работать без средств хранения информации того или иного рода. Все трудятся над созданием процессоров, а проблему создания памяти решают считанные единицы». Это высказывание принадлежит Филиппу Хеммеру из компании Texas A&M.

Квантовая информация может храниться не только в спиновых системах наподобие «изолятора Мотта», но и в виде отдельных фотонов. В самом деле, такие приложения, как квантовая криптография, используют фотоны в качестве носителей информации. Хранение световых импульсов в определенном месте принципиально важно для предполагаемых квантовых компьютеров. Г-н Хеммер и его сотрудники продолжили работу исследователей из Гарварда. Последние пропускали лазерные импульсы через среду, становившуюся непрозрачной под действием излучения другого лазера. Этот трюк позволил снизить скорость, с которой импульс света проходил среду, буквально до черепашьей. В некоторых случаях свет оставался на месте, ожидая возобновления подходящих условий для продолжения своего пути. Гарвардские ученые и их последователи использовали методику остановки света в газовой среде. Г-н Хеммер с сотрудниками стали первыми, кто осуществил остановку света в твердом веществе — кристалле силиката иттрия, обогащенном атомами редкоземельного элемента празеодима. Поскольку большинство электронных компонентов представляют собой твердотельные устройства, этот метод может быть непосредственно использован при создании квантовых устройств хранения информации. Никто не может гарантировать безопасного прохождения информации через процессы записи и считывания. В любом случае «квантовая гонка» только начинается.

 

* http://www.relcom.ru/Right?id=20020114132148.

 

Сейчас ситуация стала меняться. В последние годы «квантовая гонка» набирает обороты и в разработке периферийных устройств, а также способов обмена квантовой информацией между удаленными объектами. Что касается экспериментов с квантовой памятью, то в 2004 году европейские ученые (из Дании, Бельгии, Германии, Чехии) сообщили*, что они смогли реализовать работу квантовой памяти на сравнительно простой установке, тогда как раньше эксперименты проводились на сложном оборудовании. Эта установка представляет собой стеклянную ячейку с парами спин-поляризованных атомов цезия при температуре, близкой к комнатной. Им удалось скопировать фотонный кубит в атомную систему, а затем «прочитать» это записанное состояние.

 

* Julsgaard B., Sherson J., Cirac J. I., Fiurasek J. A. and Polzik E. S. Experimental demonstration of quantum memory for light, Nature 432, 482 (2004).

 

Постоянно предлагаются все более совершенные схемы для хранения и восстановления квантовой информации. Есть интересные эксперименты в смежных областях. Они пока не связаны напрямую с хранением квантовой информации, но задействованные в них механизмы вполне могут быть использованы в квантовом компьютинге. Хочу отметить довольно красивый эксперимент, проведенный совсем недавно немецкими учеными*. Им удалось продемонстрировать удивительный эффект, когда свет, идущий сквозь среду с неоднородным показателем преломления, надолго в ней «застревает», попадая на замкнутые орбиты (рис. 10).

 

 

Рис. 10. Свет, проходя через среду с неоднородным показателем преломления, может надолго в ней «застрять», попадая на замкнутые орбиты (рис. с сайта http://cops.tnw.utwente.nl)

 

* Störzer M., Gross P., Aegerter C. M. and Maret G. Phys. Rev. Lett. 96, 063904 (2006); в свободном доступе: http://arxiv.org/abs/cond-mat/0511284; краткий обзор на русском, материалы которого использовались: http://elementy.ru/news/430125.

 

Этот эффект связан с диффузией света. О диффузии, наверное, слышали все — это и распространение запахов по комнате (диффузия молекул в газе), и теплопроводность (диффузия тепла) в твердом теле, и электрический ток в проводнике (диффузия электронов под действием внешней силы). Обычно речь идет о диффузии частиц, но прохождение волн через среду также можно рассматривать как диффузию. У света, как у волны, есть специфическая особенность — интерференция, за счет которой диффузия может измениться. Свет может «сбиться с дороги» и надолго застрять внутри среды, крутясь по замкнутым орбитам в поисках выхода.

Если пустить луч света сквозь среду с беспорядочно распределенным коэффициентом преломления, то отдельные кванты света, фотоны, будут хаотично отражаться и преломляться в поисках выхода, то есть будет происходить диффузия света. Чтобы заметить описанный выше эффект, надо приготовить такую среду, в которой распределение коэффициента преломления было бы как можно более хаотичным (иными словами, чтобы длина свободного пробега от столкновения до столкновения не превышала длины волны света), но чтобы при этом не было поглощения. Именно это и смогли сделать немецкие физики. Они выяснили, что для изучения диффузии фотонов прекрасно подходит пигмент, использующийся во многих доступных в продаже белых красках. Этот пигмент состоит из микроскопических частичек TiO₂ (диоксида титана) и в целом действует на свет как среда практически без поглощения, но с высоким и беспорядочно распределенным в пространстве коэффициентом преломления.

Эксперимент заключался в следующем: на спрессованный образец пигмента падал короткий импульс света, а затем отслеживалось, на какое время свет «застревает» в этом материале. Для крупнозернистых образцов распределение времен диффузии достаточно хорошо описывалось формулой для диффузии частиц. Однако, исследуя самый мелкозернистый образец, экспериментаторы заметили, что небольшая доля всех фотонов выходила из образца спустя необычно долгое время.

Авторы провели серию проверочных экспериментов и доказали, что этот эффект может быть связан только с влиянием интерференции на диффузию волн. Эти запоздавшие фотоны долго крутились внутри образца по замкнутым орбитам, прежде чем выйти из среды. Как предполагают ученые, если теперь изготовить вещество с еще более мелкими зернами диоксида титана, то, возможно, удастся достичь и эффекта полной локализации, при котором фотоны уже не выходят наружу.