Исследователи из Оксфордского университета недавно создали квантовую память в узле квантовой сети с захваченными ионами. Их уникальная конструкция памяти, представленная в статье в журнале Physical Review Letters , оказалась чрезвычайно надежной, а это означает, что она может хранить информацию в течение длительных периодов времени, несмотря на текущую сетевую активность.

«Мы строим сеть квантовых компьютеров, которые используют захваченные ионы для хранения и обработки квантовой информации», — сказал Phys Питер Дрмота, один из исследователей, проводивших исследование. «Для соединения устройств квантовой обработки мы используем отдельные фотоны, испускаемые одним атомарным ионом, и используем квантовую запутанность между этим ионом и фотонами».

Захваченные ионы, заряженные атомные частицы, удерживаемые в пространстве с помощью электромагнитных полей , являются широко используемой платформой для реализации квантовых вычислений. Фотоны (то есть частицы света), с другой стороны, обычно используются для передачи квантовой информации между удаленными узлами. Дрмота и его коллеги изучают возможность объединения захваченных ионов с фотонами для создания более мощных квантовых технологий.

«До сих пор мы реализовали надежный способ сопряжения ионов стронция и фотонов и использовали его для создания высококачественной удаленной запутанности между двумя удаленными узлами сети », — сказал Дрмота. «С другой стороны, для ионов кальция была разработана высокоточная квантовая логика и долговременная память . В этом эксперименте мы впервые объединяем эти возможности и показываем, что можно создать высококачественную запутанность между ион стронция и фотон , а затем сохраняют эту запутанность в соседнем ионе кальция».

Интеграция квантовой памяти в сетевой узел — сложная задача, поскольку критерии, которые необходимо выполнить для работы такой системы, выше, чем для создания автономного квантового процессора. В частности, разработанная память должна быть устойчива к параллельной сетевой активности.

«Это означает, что квантовая информация, хранящаяся в памяти, не должна ухудшаться, пока установлено сетевое соединение», — пояснил Дрмота. «Для этого требуется крайняя изоляция между памятью и сетью, но в то же время должен быть быстрый и надежный механизм, который при необходимости подключает память к сети».

Для создания своей квантовой памяти Дрмота и его коллеги использовали два разных вида атомов, а именно стронций и кальций, поскольку это позволило им минимизировать перекрестные помехи при установлении сетевого соединения. Ограниченные перекрестные помехи в этой смешанной архитектуре также позволили им обнаруживать ошибки в режиме реального времени и использовать так называемое последовательное охлаждение. Ворота запутывания смешанных видов обеспечили недостающую связь между сетью и памятью.

«Одним из источников технических ошибок, с которыми мы сталкиваемся при работе с кубитами с захваченными ионами, является расфазировка из-за шума магнитного поля », — сказал Дрмота. «Тем не менее, кальций-43 имеет переходы, нечувствительные к магнитным полям, что устраняет эту ошибку и, следовательно, увеличивает время их когерентности. Хотя стронций-88 идеально подходит для генерации фотонов для создания сетей, он чувствителен к шуму магнитного поля».

Хотя известно, что стронций-88 чувствителен к шуму магнитного поля, исследователи смогли сохранить запутанность между ионом памяти и фотоном в течение более длительного времени, передав квантовую информацию от стронция к кальцию в системе. В частности, они могли сохранять эту запутанность более 10 с, что как минимум в 1000 раз дольше, чем они наблюдали между голым ионом стронция и фотоном.

«Кроме того, ион стронция можно повторно использовать для генерации дополнительных запутанных фотонов, и мы показываем, что этот процесс не влияет на точность запутывания между памятью и предыдущим фотоном, что обеспечивает устойчивость к сетевой активности», — сказал Дрмота. «Примечательно, что нам удалось объединить сложность, связанную с несколькими сложными методами, которые разрабатывались изолированно в разных условиях в течение многих лет, в одном эксперименте».

В первоначальных тестах квантовая память, созданная Дрмотой и его коллегами, показала очень многообещающие результаты, поскольку было обнаружено, что она очень надежна, сохраняя запутанность между захваченным ионом и фотоном в течение как минимум 10 с. Демонстрация командой этой квантовой памяти может стать важной вехой в продолжающемся стремлении реализовать распределенную квантовую обработку информации.

Используя их конструкцию, отдельные квантовые вычислительные узлы могут быть загружены заданным количеством процессорных кубитов (например, кальция), а сетевой кубит (например, стронций) может затем использоваться для создания квантовых связей между удаленными модулями. В конечном счете, эта многообещающая квантовая память может проложить путь к созданию масштабируемых систем квантовых вычислений, поскольку использование небольших модулей, способных обрабатывать квантовую информацию , и их соединение с другими модулями позволяет избежать необходимости в больших и сложных ионных ловушках.

«Надежная квантовая память может использоваться в квантовых повторителях для частных (слепых) квантовых вычислений и является ключом к новым разработкам в области квантовых коммуникаций, метрологии и учета времени », — добавил Дрмота. «Например, для зарождающегося поля запутанных атомных часов большая продолжительность хранения запутанности , достигнутая в наших экспериментах, приведет к улучшению на порядок точности сравнения частот между удаленными часами».