Вікіпедія

Квантова пам'ять

Квантова пам'ять — це квантово-механічна версія звичайної пам'яті комп'ютера. У той час як звичайна пам'ять зберігає інформацію як двійковий стан (представлений «1» і «0»), квантова пам'ять зберігає квантовий стан для подальшого пошуку. Ці стани містять корисну обчислювальну інформацію, відому як кубіти. На відміну від класичної пам'яті повсякденних комп'ютерів, стани, що зберігаються в квантовій пам'яті, можуть знаходитись у квантовій суперпозиції, що надає набагато більшу практичну гнучкість у квантовому алгоритмі[en], ніж класичне зберігання інформації.

Квантова пам'ять необхідна для розробки багатьох пристроїв у квантовій обробці інформації, включаючи інструмент синхронізації, який може відповідати різним процесам в квантовому комп'ютері, квантовий затвор, який підтримує ідентичність будь-якого стану, і механізм перетворення заздалегідь визначених фотонів у фотони на вимогу. Квантову пам'ять можна використовувати в багатьох аспектах, таких як квантові обчислення та квантові комунікації. Постійні дослідження та експерименти дозволили квантовій пам'яті реалізувати зберігання кубітів.[1]

Історія ред.

Взаємодія квантів випромінювання з множинними частинками викликало науковий інтерес з 2010-х років. Квантова пам'ять — одне з таких полів, де квантовий стан світла відображається на групу атомів, а потім йому повертають первісну форму. Квантова пам'ять є ключовим елементом в обробці інформації, наприклад, оптичних квантових обчислень та квантових комунікацій, відкриваючи при цьому новий шлях до основи взаємодії світло-атом. Однак відновлення квантового стану світла є непростим завданням. Хоча був досягнутий вражаючий прогрес, дослідники все ще працюють над цим.[2]

Квантова пам'ять на основі квантового обміну дозволяє зберігати фотонні кубіти. Кессель і Мойсеєв обговорювали квантове зберігання в стані одиничного фотона в 1993 році. Експеримент був проаналізований в 1998 році і продемонстрований в 2003 році. Таким чином, вивчення квантового зберігання в стані одиничного фотона можна розглядати як продукт технології класичного оптичного зберігання даних, запропонованої в 1979 та 1982 рр. Не тільки це, але ідея була натхненна високою щільністю зберігання даних у середині 1970-х. Оптичного зберігання даних можна досягти, використовуючи поглиначі для поглинання різних частот світла, які потім спрямовуються до просторових точок променя і зберігаються.[3]

Типи ред.

Квантова пам'ять для світла ред.

Звичайні, класичні оптичні сигнали передаються шляхом зміни амплітуди світла. У цьому випадку для зберігання інформації на лампі можна використовувати аркуш паперу або жорсткий диск комп'ютера. Однак у випадку квантової інформатики інформація може кодуватися відповідно до амплітуди та фази світла. Для деяких сигналів не можна виміряти амплітуду та фазу світла не втручаючись у сигнал. Щоб зберігати квантову інформацію, саме світло потрібно зберігати не вимірюючи. Світло для квантової пам'яті — це запис стану світла в атомну хмару. Коли світло поглинається атомами, вони можуть вводити всю інформацію про квант світла.[4]

Твердотільна квантова пам'ять ред.

У класичних обчисленнях пам'ять — це тривіальний ресурс, який можна відтворити в довговічному апараті пам'яті та отримати пізніше для подальшої обробки. У квантових обчисленнях це заборонено, оскільки згідно з теоремою про заборону клонування будь-який квантовий стан не може бути відтворений повністю. Отже, за відсутності квантової корекції помилок[en] зберігання кубітів обмежується внутрішнім часом когерентності фізичних кубітів, що містять інформацію. Квантова пам'ять, яка перевищує задані фізичні межі зберігання кубітів, буде квантовою передачею інформації до «кубітів, що зберігаються», на які мало впливає навколишній шум та інші фактори. А потім, коли інформація потрібна, вона повертається до потрібних «кубітів, що обробляються», щоб забезпечити швидку роботу або читання.[5]

Відкриття ред.

Оптична квантова пам'ять зазвичай використовується для виявлення та зберігання квантового стану одиночного фотона. Однак створення такої ефективної пам'яті все ще є величезним викликом для сучасної науки. У одного фотона занадто мало енергії, тому його можна втратити на складному світловому фоні. Ці проблеми давно пригнічують рівень квантового зберігання нижче 50 %. Команда на чолі з професором Ду Шенвангом з кафедри фізики Гонконгського університету науки і техніки[en][6] та Інститут нанонауки та технології Вільяма Монга при Гонконгському університеті науки і техніки[7] знайшов спосіб збільшити ефективність оптичної квантової пам'яті до понад 85 відсотків. Відкриття також наближає популярність квантових комп'ютерів до реальності. У той же час квантову пам'ять можна також використовувати як ретранслятор в квантовій мережі, що закладає основи квантової мережі Інтернет.

Дослідження та застосування ред.

Квантова пам'ять є важливою складовою програм обробки квантової інформації, таких як квантова мережа, квантовий ретранслятор, лінійні оптичні квантові обчислення або квантовий зв'язок на великі відстані.[8]

Оптичне зберігання даних є важливою темою дослідження протягом багатьох років. Найцікавішою його функцією є використання законів квантової фізики для захисту даних від крадіжки за допомогою квантових обчислень та квантової криптографії, беззастережно гарантованої безпеки зв'язку.[9]

Вони дозволяють вводити частинки в стан суперпозиції, що означає, що вони можуть представляти кілька комбінацій одночасно. Ці частинки називаються квантовими бітами, або кубітами. З точки зору кібербезпеки важлива властивість кубітів полягає в тому, що якщо хакер намагається спостерігати за ними в дорозі, їх квантові стани руйнуються. Це означає, що хакери не можуть втручатися в мережеві дані, не залишаючи слідів. Зараз багато компаній використовують цю функцію для створення мереж, які передають високочутливі дані. Теоретично ці мережі безпечні.[10]

Зберігання в мікрохвилях та перетворення мікрохвиль і світла ред.

Азотно-заміщені вакансії в алмазах залучили багато досліджень завдяки своїм чудовим характеристикам в оптичних нанофотонних пристроях. У недавньому експерименті була реалізована електромагнітно індукована прозорість[en] на багатопрохідному алмазному чіпі для досягнення повного фотоелектричного зондування магнітного поля. Незважаючи на ці тісно пов'язані експерименти, оптичне зберігання даних ще не впроваджено на практиці. Існуючі у азотно-заміщених вакансіях енергетичні рівні (у негативно заряджених та нейтральних азотно-заміщених вакансіях) робить можливим оптичне зберігання у азотно-заміщених вакансіях в алмазі.

Зв'язок між спіновим ансамблем азотно-заміщених вакансій та надпровідними кубітами забезпечує можливість зберігання надпровідних кубітів у мікрохвилях. Оптичний накопичувач поєднує в собі спіновий електронний стан і надпровідні квантові біти, що дозволяє азотно-заміщеним вакансіям в алмазі відігравати роль у гібридній квантовій системі взаємного перетворення когерентного світла та мікрохвиль.[11]

Пам'ять на градієнтному відлунні ред.

Пам'ять на градієнтному відлунні — це технологія оптичне зберігання на основі фотонного еха. Вперше ідея була продемонстрована дослідниками з Австралійського національного університету. Їх експеримент являє собою трирівневу систему на основі пари. Ця система має ефективність до 87 %.[12]

Електромагнітно індукована прозорість ред.

Докладніше: Електромагнітно індукована прозорість[en]

Електромагнітно індукована прозорість (ЕІП) була вперше представлена Гаррісом та його колегами в Стенфордському університеті в 1990 році.[13] Робота показала, що коли лазерний промінь викликає квантову інтерференцію між шляхами збудження, оптична реакція атомного середовища модифікується для усунення поглинання та заломлення на резонансних частотах атомних переходів. На основі ЕІП можна досягти повільного світла, створення оптичного накопичувача та квантової пам'яті. На відміну від інших підходів, ЕІП має тривалий час зберігання і є відносно простим та недорогим для впровадження рішенням. Наприклад, електромагнітно індукована прозорість не вимагає дуже потужних променів керування, зазвичай необхідних для Раманівської квантової пам'яті, а також не вимагає використання температури рідкого гелію. Крім того, фотонне ехо може зчитувати ЕІП, тому що когерентність спіну зберігається через затримку часу імпульсу зчитування, спричинену відновленням спіну в нерівномірно розширеному носії. Хоча існують певні обмеження щодо робочої довжини хвилі, пропускної здатності та ємності мод, були розроблені методи, щоб зробити квантові пам'яті на основі ЕІП цінним інструментом у розвитку квантових телекомунікаційних систем.[11] У 2018 році високоефективна оптична пам'ять на основі ЕІП в холодних атомах[en] продемонструвала 92 % ефективності зберігання та пошуку в класичному режимі з когерентними променями,[14] і було продемонстровано 70 % ефективності зберігання та пошуку для поляризаційних кубітів, кодованих у слабких когерентних станах, що перевершує будь-який класичний орієнтир.[15] Після цих демонстрацій кубіти з однофотонною поляризацією потім зберігали через ЕІП ансамбля холодних атомів 85Rb і зчитували з ефективністю 85 %,[16] а заплутаність між двома елементами квантової пам'яті на основі цезію також було досягнуто із загальною ефективністю передачі близько 90 %.[17]

Кристали, леговані рідкоземельними елементами ред.

Взаємоперетворення квантової інформації між світлом і речовиною знаходиться у центрі уваги квантової інформатики. Досліджується взаємодія між одиничним фотоном та охолодженим кристалом, легованим рідкоземельними іонами . Кристали, леговані рідкісноземельними елементами, мають широкі перспективи застосування в області зберігання квантів, оскільки вони забезпечують унікальну систему застосування.[18] Лі Ченфен з квантової інформаційної лабораторії Китайської академії наук розробив твердотільну квантову пам'ять і продемонстрував функцію фотонних обчислень, використовуючи час і частоту. На основі цього дослідження можна створити широкомасштабну квантову мережу, засновану на квантовому ретрансляторі, використовуючи зберігання та узгодженість квантових станів в матеріальній системі. Дослідники вперше показали кристали, леговані іонами рідкісноземельних елементів. Поєднуючи тривимірний простір з двовимірним часом і двовимірним спектром, була створена своєрідна пам'ять, яка відрізняється від звичайної. Вона має багатомодову ємність і може також використовуватися як квантовий перетворювач високої точності. Експериментальні результати показують, що у всіх цих операціях надійність тривимірного квантового стану, що несе фотон, може підтримуватися на рівні близько 89 %.[19]

Комбінаційне (раманівське) розсіювання у твердих тілах ред.

Діамант має дуже високий коефіцієнт раманівського посилення в режимі оптичних фононів частотою 40 ТГц і має широке вікно пропускання у видимій та ближній інфрачервоній смузі, що робить його придатним для оптичної пам'яті з дуже широкою смугою. Після раманівського розсіювання у запам'яовуючому пристрї оптичний фонон розпадається на пару фотонів через канал, а час розпаду становить 3,5 пс, що робить алмазну пам'ять непридатною для протоколу зв'язку.

Тим не менше, алмазна пам'ять дозволила провести кілька показових досліджень взаємодії світла і речовини на квантовому рівні: оптичні фонони в алмазі можуть бути використані для демонстрації випромінювання квантової пам'яті, макроскопічного переплутування, попередньо передбаченого зберігання одиничного фотона та маніпуляції частотою одиничного фотона.[11]

Майбутній розвиток ред.

Для квантової пам'яті квантовий зв'язок та криптографія є майбутніми напрямками досліджень. Однак існує багато викликів для побудови глобальної квантової мережі. Однією з найважливіших проблем є створення пам'яті, яка може зберігати квантову інформацію, яку несе світло. Дослідники Женевського університету у Швейцарії, що працюють із французьким CNRS, виявили новий матеріал, в якому елемент під назвою ітербій може зберігати та захищати квантову інформацію навіть на високих частотах. Це робить ітербій ідеальним кандидатом для майбутніх квантових мереж. Оскільки сигнали не можуть бути відтворені, зараз вчені вивчають, як можна зробити квантову пам'ять для того, щоб рухатися все далі і далі, захоплюючи фотони для їх синхронізації. Для цього стає важливим знайти потрібні матеріали для створення квантових спогадів. Іттербій є хорошим ізолятором і працює на високих частотах, щоб фотони могли зберігатися і швидко відновлюватися.

Див. також ред.

Примітки ред.

  1. ↑ Lvovsky AI, Sanders BC, Tittel W (December 2009). Optical quantum memory. Nature Photonics. 3 (12): 706—714. Bibcode:2009NaPho...3..706L. doi:10.1038/nphoton.2009.231. ISSN 1749-4893.
  2. ↑ Le Gouët JL, Moiseev S (2012). Quantum Memory. Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. 45 (12): 120201. doi:10.1088/0953-4075/45/12/120201.
  3. ↑ Ohlsson N, Kröll S, Moiseev SA (2003). Bigelow NP, Eberly JH, Stroud CR, Walmsley IA (ред.). Delayed single-photon self-interference — A double slit experiment in the time domain. Coherence and Quantum Optics VIII. Springer US: 383—384. doi:10.1007/978-1-4419-8907-9_80. ISBN 9781441989079.
  4. ↑ Quantum Memory. photonics.anu.edu.au. Архів оригіналу за 24 Січня 2021. Процитовано 18 червня 2020.
  5. ↑ Freer S, Simmons S, Laucht A, Muhonen JT, Dehollain JP, Kalra R та ін. (2016). A single-atom quantum memory in silicon. Quantum Science and Technology. 2: 015009. arXiv:1608.07109. doi:10.1088/2058-9565/aa63a4.
  6. ↑ Shengwang Du Group | Atom and Quantum Optics Lab. Архів оригіналу за 15 Лютого 2020. Процитовано 12 травня 2019.
  7. ↑ RC02_William Mong Institute of Nano Science and Technology | Institutes and Centers | Research Institutes and Centers | Research | HKUST Department of Physics. physics.ust.hk. Архів оригіналу за 15 Лютого 2020. Процитовано 12 травня 2019.
  8. ↑ Quantum memories [GAP-Optique]. www.unige.ch. Архів оригіналу за 12 Травня 2019. Процитовано 12 травня 2019.
  9. ↑ Tittel W, Afzelius M, Chaneliere T, Cone RL, Kröll S, Moiseev SA, Sellars M (2010). Photon-echo quantum memory in solid state systems. Laser & Photonics Reviews. 4 (2): 244—267. Bibcode:2010LPRv....4..244T. doi:10.1002/lpor.200810056. ISSN 1863-8899.
  10. ↑ Quantum Communication | PicoQuant. www.picoquant.com. Архів оригіналу за 14 Січня 2021. Процитовано 12 травня 2019.
  11. ↑ а б в Heshami K, England DG, Humphreys PC, Bustard PJ, Acosta VM, Nunn J, Sussman BJ (November 2016). Quantum memories: emerging applications and recent advances. Journal of Modern Optics. 63 (20): 2005—2028. doi:10.1080/09500340.2016.1148212. PMC 5020357. PMID 27695198.
  12. ↑ Quantum Memory. photonics.anu.edu.au. Архів оригіналу за 11 Червня 2019. Процитовано 12 травня 2019.
  13. ↑ Harris SE, Field JE, Imamoglu A (March 1990). Nonlinear optical processes using electromagnetically induced transparency. Physical Review Letters. American Physical Society (APS). 64 (10): 1107—1110. Bibcode:1990PhRvL..64.1107H. doi:10.1103/physrevlett.64.1107. PMID 10041301.
  14. ↑ Hsiao YF, Tsai PJ, Chen HS, Lin SX, Hung CC, Lee CH та ін. (May 2018). Highly Efficient Coherent Optical Memory Based on Electromagnetically Induced Transparency. Physical Review Letters. 120 (18): 183602. arXiv:1605.08519. Bibcode:2018PhRvL.120r3602H. doi:10.1103/PhysRevLett.120.183602. PMID 29775362.
  15. ↑ Vernaz-Gris P, Huang K, Cao M, Sheremet AS, Laurat J (January 2018). Highly-efficient quantum memory for polarization qubits in a spatially-multiplexed cold atomic ensemble. Nature Communications. 9 (1): 363. doi:10.1038/s41467-017-02775-8. PMID 29371593.
  16. ↑ Wang Y, Li J, Zhang S, Su K, Zhou Y, Liao K, Du S, Yan H, Zhu SL (March 2019). Efficient quantum memory for single-photon polarization qubits. Nature Photonics (англ.). 13 (5): 346—351. arXiv:2004.03123. doi:10.1038/s41566-019-0368-8.
  17. ↑ Cao M, Hoffet F, Qiu S, Sheremet AS, Laurat J (20 жовтня 2020). Efficient reversible entanglement transfer between light and quantum memories. Optica. 7 (10): 1440—1444. doi:10.1364/OPTICA.400695.
  18. ↑ Solid State Quantum Memories | QPSA @ ICFO. qpsa.icfo.es. Архів оригіналу за 25 Лютого 2020. Процитовано 12 травня 2019.
  19. ↑ Simon C, Afzelius M, Appel J, de la Giroday AB, Dewhurst SJ, Gisin N, Hu CY, Jelezko F, Kröll S (1 травня 2010). Quantum memories. The European Physical Journal D. 58 (1): 1—22. arXiv:1003.1107. doi:10.1140/epjd/e2010-00103-y. ISSN 1434-6079.
Отримано з https://uk.wikipedia.org/w/index.php?title=Квантова_пам%27ять&oldid=41291726