Квантова пам’ять

Квантові комп’ютери не можуть працювати без засобів зберігання інформації – квантової пам’яті. Вона використовується для зберігання інформації при проведенні квантових обчислень. Щоб передавати кубіти на значну відстань, можна використовувати, наприклад, окремі одиничні фотони, які відносно слабо взаємодіють з навколишнім середовищем. Фотони, як носії інформації, використовуються наприклад, в квантовій криптографії.

Зберігання світлових імпульсів у визначеному місці принципово важливе для майбутніх квантових комп’ютерів. Воно може бути реалізованим, наприклад, при пропусканні лазерних імпульсів через середовище, що ставало непрозорим під дією випромінювання іншого лазера. Це дозволило значно знизити швидкість, з якою фотон проходив через середовище. В деяких випадках світло залишалося на місці, чекаючи відновлення відповідних умов для продовження руху. Гарвардські учені і їх послідовники використовували методику зупинки світла в газовому середовищі. Хеммером вперше було здійснено зупинку світла в твердій речовині — кристалі силікату ітрію, збагаченому атомами рідкоземельного елементу празеодиму.

Оскільки більшістю електронних компонентів є твердотільними пристроями, цей метод може бути безпосередньо використаний при створенні квантових пристроїв зберігання інформації.

Проте, якщо фотони здійснюють тривалу подорож по якомусь середовищу, то їх „правильний” стан, в якому закодований стан кубіта, може поступово деградувати. Щоб уникнути втрат інформації, учені застосували квантові ретранслятори, які „ловлять” згасаючий сигнал, розшифровують його і знову випускають. Короткочасне зберігання і повторне випускання фотона якраз і відбуваються в квантовій пам’яті.

Конструкції квантової пам’яті, що існували донедавна, передбачали роботу при дуже низьких температурах. Крім того, вони були придатні лише для вузького інтервалу довжин хвиль фотонів і утримували їх дуже нетривалий час. В 2004 році була створена квантова пам’ять, яка функціонує при температурі близькій до кімнатної. Основним компонентом приладу є скляна посудина з парами спінполяризованих атомів цезію. Щоб зберегти в них інформацію, закодовану у фотонах, учені впливали на атоми особливим чином налагодженим лазером. У результаті стани кубіта зберігалися в спінах електронів і ядер атомів цезію. Щоб витягувати інформацію з атомів цезію, фахівці знов впливали на них лазером з іншими характеристиками - у результаті генерувалися фотони, які могли передаватися далі до кінцевого пункту призначення.

Німецьким вченим вдалося нещодавно продемонструвати дивний ефект, коли світло, що йде крізь середовище з неоднорідним показником заломлення, надовго в ньому „застряє”, потрапляючи на замкнуті орбіти руху (див. рис. 8.6).

Рис. 8.6. Світло, проходячи через середовище з неоднорідним показником заломлення, може надовго в ньому „застрягти”, потрапляючи на замкнуті орбіти.

Якщо пустити промінь світла крізь середовище з безладно розподіленим коефіцієнтом заломлення, то окремі фотони хаотично відбиватимуться і заломлюватимуться в даному середовищі, тобто відбуватиметься так звана дифузія світла. Щоб спостерігати описаний вище ефект, треба приготувати таке середовище, в якому розподіл коефіцієнта заломлення був би максимально хаотичним (іншими словами, щоб довжина вільного пробігу від зіткнення до зіткнення не перевищувала довжини хвилі світла), але щоб при цьому не було поглинання світла. Таким середовищем може бути, наприклад, суспензія (діоксид титану), у якій практично не поглинається світло, але вона має дуже високий і безладно розподілений в просторі коефіцієнт заломлення. В експериментах при пропусканні світла через діоксид титану невелика частка всіх фотонів виходила із зразка через незвично довгий час. Ці затримані фотони довго крутилися усередині зразка по замкнутих орбітах, перш ніж вийти з середовища. Як передбачають учені, якщо тепер виготовити речовину з ще дрібнішими зернами діоксиду титану, то, можливо, вдасться досягти і ефекту повної локалізації, при якому фотони вже не виходять назовні.