В квантовых вычислениях квантовая память — это квантово-механическая версия обычной компьютерной памяти . В то время как обычная память хранит информацию в виде двоичных состояний (представленных «1» и «0»), квантовая память хранит квантовое состояние для последующего извлечения. Эти состояния содержат полезную вычислительную информацию, известную как кубиты . В отличие от классической памяти обычных компьютеров, состояния, хранящиеся в квантовой памяти, могут находиться в квантовой суперпозиции , что дает гораздо большую практическую гибкость квантовым алгоритмам , чем классическое хранилище информации.
Квантовая память необходима для разработки многих устройств квантовой обработки информации , включая инструмент синхронизации, который может сопоставлять различные процессы в квантовом компьютере , квантовый вентиль, сохраняющий идентичность любого состояния, и механизм преобразования заранее определенных фотонов в -требуют фотонов. Квантовая память может использоваться во многих аспектах, таких как квантовые вычисления и квантовая связь. Непрерывные исследования и эксперименты позволили квантовой памяти реализовать хранение кубитов. [1]
Взаимодействие квантового излучения с множеством частиц вызвало научный интерес за последнее десятилетие. [ нужен контекст ] Квантовая память — одно из таких полей, отображающее квантовое состояние света на группу атомов, а затем восстанавливающее его первоначальную форму. Квантовая память является ключевым элементом в обработке информации, такой как оптические квантовые вычисления и квантовая связь , и одновременно открывает новый путь к основам взаимодействия света и атома. Однако восстановление квантового состояния света — непростая задача. Несмотря на впечатляющий прогресс, исследователи все еще работают над тем, чтобы это произошло. [2]
Было продемонстрировано, что квантовая память, основанная на квантовом обмене для хранения фотонных кубитов, возможна. Кессель и Моисеев [3] обсуждали квантовое хранение в однофотонном состоянии в 1993 году. Эксперимент был проанализирован в 1998 году и продемонстрирован в 2003 году. Таким образом, исследование квантового хранения в однофотонном состоянии можно рассматривать как продукт классической теории Технология оптического хранения данных , предложенная в 1979 и 1982 годах, идея, вдохновленная высокой плотностью хранения данных в середине 1970 - х годов . Оптическое хранение данных может быть достигнуто за счет использования поглотителей для поглощения света различных частот, который затем направляется в точки пространства луча и сохраняется.
Обычные классические оптические сигналы передаются путем изменения амплитуды света. В этом случае для хранения информации о лампе можно использовать лист бумаги или жёсткий диск компьютера [ нужны разъяснения ] . Однако в сценарии квантовой информации информация может быть закодирована в соответствии с амплитудой и фазой света. Для некоторых сигналов невозможно измерить одновременно амплитуду и фазу света, не влияя на сигнал. Чтобы хранить квантовую информацию, необходимо хранить сам свет, не измеряя его. Квантовая память атомного газа записывает состояние света в атомное облако. Когда информация о свете хранится в атомах, относительная амплитуда и фаза света сопоставляются с атомами и могут быть получены по требованию. [4]
В классических вычислениях память — это тривиальный ресурс, который можно реплицировать в долгоживущем оборудовании памяти и позже извлечь для дальнейшей обработки. В квантовых вычислениях это запрещено, поскольку согласно теореме об отсутствии клонов любое квантовое состояние не может быть воспроизведено полностью. Следовательно, при отсутствии квантовой коррекции ошибок хранение кубитов ограничено временем внутренней когерентности физических кубитов, содержащих информацию. «Квантовая память» за пределами заданных физических пределов хранения кубитов будет представлять собой квантовую передачу информации к «хранящим кубитам», на которую не так легко влияют шумы окружающей среды и другие факторы. Позже информация будет передана обратно в предпочтительные «кубиты процесса», чтобы обеспечить быстрые операции или чтение. [5]
Оптическая квантовая память обычно используется для обнаружения и хранения однофотонных квантовых состояний. Однако создание эффективной памяти такого типа по-прежнему остается огромной проблемой для современной науки. Одиночный фотон имеет настолько низкую энергию, что теряется на сложном световом фоне. Эти проблемы долгое время удерживали уровень квантового хранения ниже 50%. Команда под руководством профессора Ду Шэнванга с кафедры физики Гонконгского университета науки и технологий [6] и Института нанонауки и технологий Уильяма Монга в HKUST [7] нашла способ повысить эффективность оптической квантовой памяти. до более чем 85 процентов. Это открытие также приближает популярность квантовых компьютеров к реальности. В то же время квантовая память также может использоваться в качестве ретранслятора в квантовой сети, которая закладывает основу квантового Интернета.
Квантовая память является важным компонентом приложений квантовой обработки информации, таких как квантовая сеть , квантовый повторитель, линейные оптические квантовые вычисления или квантовая связь на большие расстояния . [8]
Оптическое хранение данных уже много лет является важной темой исследований. Его наиболее интересной функцией является использование законов квантовой физики для защиты данных от кражи посредством квантовых вычислений и квантовой криптографии, безоговорочно гарантирующих безопасность связи. [9]
Они позволяют частицам накладываться друг на друга и находиться в состоянии суперпозиции , что означает, что они могут представлять несколько комбинаций одновременно. Эти частицы называются квантовыми битами или кубитами. С точки зрения кибербезопасности, магия кубитов заключается в том, что если хакер попытается наблюдать за ними в пути, их хрупкие квантовые состояния разрушатся. Это означает, что хакеры не могут бесследно подделать сетевые данные. Сейчас многие компании используют эту функцию для создания сетей, передающих высококонфиденциальные данные. Теоретически эти сети безопасны. [10]
Азотно -вакансионный центр в алмазе привлек множество исследований за последнее десятилетие благодаря своим превосходным характеристикам в оптических нанофотонных устройствах. В недавнем эксперименте электромагнитно-индуцированная прозрачность была реализована на многопроходном алмазном чипе для достижения полного фотоэлектрического восприятия магнитного поля. Несмотря на эти тесно связанные эксперименты, оптическое хранилище еще не реализовано на практике. Существующая структура энергетических уровней азот-вакансионного центра (отрицательный заряд и нейтральный азот-вакансионный центр) делает возможным оптическое хранение алмазного азот-вакансионного центра.
Связь между спиновым ансамблем азота-вакансии и сверхпроводящими кубитами обеспечивает возможность микроволнового хранения сверхпроводящих кубитов. Оптическое хранилище сочетает в себе связь электронного спинового состояния и сверхпроводящих квантовых битов, что позволяет азотно-вакансионному центру в алмазе играть роль в гибридной квантовой системе взаимного преобразования когерентного света и микроволн. [11]
Большая резонансная глубина света является предпосылкой создания эффективной квантово-оптической памяти. Изотопы паров щелочных металлов имеют большое количество оптической глубины ближней инфракрасной области спектра , поскольку они имеют относительно узкую спектральную линию и высокую плотность при теплой температуре 50-100 ∘ C. Пары щелочей использовались в некоторых из наиболее важные разработки памяти, от ранних исследований до последних результатов, которые мы обсуждаем, благодаря их высокой оптической глубине, длительному времени когерентности и легкому оптическому переходу в ближнюю инфракрасную область.
Из-за его высокой способности передачи информации люди все больше и больше интересуются его применением в области квантовой информации. Структурированный свет может нести орбитальный угловой момент , который должен храниться в памяти, чтобы точно воспроизвести сохраненные структурные фотоны. Квантовая память атомного пара идеальна для хранения таких лучей, поскольку орбитальный угловой момент фотонов можно сопоставить с фазой и амплитудой распределенного интегрированного возбуждения. Диффузия является основным ограничением этого метода, поскольку движение горячих атомов разрушает пространственную когерентность накопительного возбуждения. Ранние успехи включали сохранение слабокогерентных импульсов пространственной структуры в теплом, ультрахолодном атомном целом. В одном эксперименте та же группа ученых в цезиевой магнитооптической ловушке смогла хранить и извлекать векторные лучи на однофотонном уровне. [12] Память сохраняет инвариантность вращения векторного луча, что позволяет использовать его в сочетании с кубитами, закодированными для неадаптированной иммунной квантовой связи.
Первая структура хранения, настоящий одиночный фотон, была получена с помощью электромагнитно-индуцированной прозрачности в рубидиевой магнитооптической ловушке. Предсказанный одиночный фотон, генерируемый в результате спонтанного четырехволнового смешения в одной магнитооптической ловушке, готовится блоком орбитального углового момента с использованием спиральных фазовых пластин, хранится во второй магнитооптической ловушке и восстанавливается. Двухорбитальная установка также доказывает когерентность в многорежимной памяти, где заранее объявленный одиночный фотон сохраняет состояние суперпозиции орбитального углового момента в течение 100 наносекунд. [11]
GEM (Gradient Echo Memory) — это протокол хранения оптической информации, который можно применять как к атомарной газовой, так и к твердотельной памяти. Идея была впервые продемонстрирована исследователями из АНУ . Эксперимент в трехуровневой системе на основе горячего атомного пара продемонстрировал когерентное хранение с КПД до 87%. [13]
Электромагнитно-индуцированная прозрачность (ЭИТ) была впервые представлена Харрисом и его коллегами из Стэнфордского университета в 1990 году. [14] Работа показала, что, когда лазерный луч вызывает квантовую интерференцию между путями возбуждения, оптический отклик атомной среды изменяется на устранить поглощение и преломление на резонансных частотах атомных переходов. Медленный свет, оптическое хранилище и квантовая память могут быть реализованы на основе EIT. В отличие от других подходов, EIT имеет длительный срок хранения и является относительно простым и недорогим решением для реализации. Например, электромагнитно-индуцированная прозрачность не требует очень мощных управляющих лучей, обычно необходимых для рамановской квантовой памяти, а также не требует использования температур жидкого гелия . Кроме того, фотонное эхо может считывать EIT, пока сохраняется спиновая когерентность из-за временной задержки импульса считывания, вызванной восстановлением спина в неравномерно уширенных средах. Хотя существуют некоторые ограничения на рабочую длину волны, полосу пропускания и пропускную способность мод, были разработаны методы, позволяющие сделать квантовую память на основе EIT ценным инструментом при разработке квантовых телекоммуникационных систем . [11] В 2018 году высокоэффективная оптическая память на основе ЭИТ на холодном атоме продемонстрировала эффективность хранения и извлечения на уровне 92% в классическом режиме с когерентными пучками [15] и эффективность хранения и извлечения на уровне 70% для поляризационные кубиты, закодированные в слабых когерентных состояниях, превосходящие любой классический эталон. [16] После этих демонстраций однофотонные поляризационные кубиты затем были сохранены с помощью EIT в холодном атомном ансамбле 85 Rb и извлечены с эффективностью 85% [17], а запутывание между двумя квантовыми воспоминаниями на основе цезия также было достигнуто с помощью общего переноса эффективность около 90%. [18]
Взаимное преобразование квантовой информации между светом и материей находится в центре внимания квантовой информатики . Исследовано взаимодействие одиночного фотона с охлажденным кристаллом, легированным редкоземельными ионами . Кристаллы, легированные редкоземельными элементами, имеют широкие перспективы применения в области квантового хранения, поскольку они представляют собой уникальную систему применения. [19] Ли Чэнфэн из лаборатории квантовой информации Китайской академии наук разработал твердотельную квантовую память и продемонстрировал функцию вычисления фотонов с использованием времени и частоты. На основе этого исследования можно построить крупномасштабную квантовую сеть на основе квантового повторителя, используя хранение и когерентность квантовых состояний в материальной системе. Исследователи впервые показали кристаллы, легированные редкоземельными ионами. Путем объединения трехмерного пространства с двумерным временем и двумерным спектром создается своеобразная память, отличная от общей. Он обладает многомодовой способностью и может также использоваться в качестве высокоточного квантового преобразователя. Экспериментальные результаты показывают, что во всех этих операциях точность трехмерного квантового состояния, переносимого фотоном, может поддерживаться на уровне около 89%. [20]
Diamond имеет очень высокий комбинационный коэффициент усиления в оптическом фононном режиме (40 ТГц) и имеет широкое переходное окно в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне, что делает его подходящим в качестве оптической памяти с очень широкой полосой пропускания. После рамановского взаимодействия накопителя оптический фонон распадается на пару фотонов через канал, а время распада составляет 3,5 пс, что делает алмазную память непригодной для протокола связи.
Тем не менее, память алмаза позволила провести некоторые показательные исследования взаимодействий между светом и материей на квантовом уровне: оптические фононы в алмазе можно использовать для демонстрации эмиссионной квантовой памяти, макроскопической запутанности, заранее предсказанного однофотонного хранения и однофотонного хранения. манипуляция частотой. [11]
Будущими направлениями исследований квантовой памяти являются квантовая связь и криптография. Однако на пути создания глобальной квантовой сети существует множество проблем. Одной из наиболее важных задач является создание памяти, способной хранить квантовую информацию, переносимую светом. Исследователи из Женевского университета в Швейцарии , работающие с французским CNRS, обнаружили новый материал, в котором элемент под названием иттербий может хранить и защищать квантовую информацию даже на высоких частотах. Это делает иттербий идеальным кандидатом для будущих квантовых сетей. Поскольку сигналы невозможно воспроизвести, ученые сейчас изучают, как можно заставить квантовую память путешествовать все дальше и дальше, захватывая фотоны для их синхронизации. Для этого становится важным найти подходящие материалы для создания квантовой памяти. Иттербий является хорошим изолятором и работает на высоких частотах, поэтому фотоны могут сохраняться и быстро восстанавливаться.