Если попытаться поставить карандаш на острие - он неизбежно упадет под действием силы тяжести и малейших внешних воздействий. В квантовом мире аналог такого карандаша — кубит, элементарная ячейка информации. Роль неумолимой силы тяжести играет декогеренция — разрушение квантового состояния из-за взаимодействия с теплом, магнитными полями, столкновениями с атомами газа. Удержать кубит от падения означает сохранить закодированное в нем состояние, и это главная задача квантовой памяти. От того, сколько времени кубит способен противостоять декогеренции, зависит сложность задач, которые можно решать с его помощью.
В лаборатории квантовой оптики МГТУ им. Баумана совместно с партнёрами нашли новый способ продлить это равновесие. Работа велась в рамках диссертационного исследования «Разработка и исследование прототипа управляемой квантовой памяти на основе эффекта электромагнитно-индуцированной прозрачности с рекордным временем хранения». Созданный прототип управляемой квантовой памяти удерживает кубит в рабочем состоянии 1,51 микросекунды. Для квантового мира это интервал, за который световой луч успевает долететь до объекта за двести метров и вернуться обратно с отпечатком цели. Частота работы такой памяти — 662 тысячи циклов в секунду. Это уже не лабораторный эксперимент, а инженерный инструмент, способный работать в реальном времени. Однако, как всегда имеются свои но...
Враг первый: внешний мир
Кубит очень трудно удержать именно потому, что он живет в суперпозиции — одновременно в двух состояниях, как подброшенная монета, которая еще не упала. Любое взаимодействие с внешним миром заставляет монету упасть. Этот процесс называется декогеренцией. Бороться же с ней можно только одним способом: сделать кубит нечувствительным к окружению, словно спрятать его в кокон.
Квантовая память является ключевым элементом квантовых повторителей, необходимых для построения масштабируемых квантовых сетей. В отличие от классической памяти, она должна сохранять квантовые состояния — суперпозиции и запутанность — в течение времени, достаточного для выполнения логических операций или передачи информации на большие расстояния. Основная проблема заключается именно в декогеренции, разрушении квантового состояния из-за взаимодействия с окружающей средой.
Группа ученых из Бауманки выбрала для решения этой задачи ансамбль холодных атомов — атомов, замедленных лазерным излучением до скоростей в единицы сантиметров в секунду, что соответствует температурам в несколько микрокельвинов выше абсолютного нуля. На сегодняшний день существуют различные платформы для реализации квантовой памяти: одиночные ионы в ловушках, примесные центры в алмазе, ансамбли холодных атомов. Для ансамблевых подходов на эффекте электромагнитно-индуцированной прозрачности ключевым ограничением является малое время когерентности, вызванное магнитными полями, взаимодействием атомов друг с другом и временем пролета атомов через область взаимодействия. На момент начала работы максимальное время хранения в аналогичных системах составляло порядка одной микросекунды. Целью работы стало преодоление порога в полторы микросекунды за счет оптимизации параметров управляющего поля и пассивации внешних магнитных полей.
Ловушка, которая не трогает
В основе метода лежит эффект электромагнитно-индуцированной прозрачности. Рассмотрим трехуровневую схему атома. Два нижних уровня являются долгоживущими, метастабильными, а верхний уровень — возбужденным. Сильное управляющее поле резонансно переводит атом с одного нижнего уровня на верхний. Слабое сигнальное поле, несущее квантовую информацию, резонансно переводит атом с другого нижнего уровня на тот же верхний. В присутствии сильного поля среда становится прозрачной для сигнального поля в узком спектральном интервале — окне прозрачности. При этом дисперсия среды становится очень крутой, показатель преломления быстро меняется с частотой.
Эффект крутой дисперсии приводит к значительному уменьшению групповой скорости сигнала — вплоть до нескольких метров в секунду. Если в тот момент, когда сигнальный импульс полностью находится в среде, управляющее поле выключить — сделать это нужно адиабатически, т.е. настолько плавно, чтобы атомы успели подстроиться к изменению и не перескочили в нежелательные состояния, — то электромагнитное возбуждение преобразуется в коллективное спиновое возбуждение, когерентную суперпозицию нижних состояний атомов. Это и есть запись. Включение управляющего поля обратно переводит спиновое возбуждение в фотонный импульс — считывание.
Время жизни такого спинового возбуждения ограничено двумя основными факторами. Первый — неоднородное уширение, разброс энергетических уровней для разных атомов из-за неоднородности магнитного поля. Второй — время пролета, атомы покидают область взаимодействия, унося информацию.
Первый технический прием, примененный в разработке, — оптическая ловушка на магической длине волны. Обычно лазер, удерживающий атом, немного меняет его свойства: световое поле сдвигает энергетические уровни. Для атома такой сдвиг означает потерю когерентности — он “чувствует”, что его “держат”. Магическая длина волны для иттербия — 759,35 нанометра — заставляет лазер удерживать атом, никак не влияя на его квантовые состояния. Сдвиг уровней происходит одинаково для обоих состояний кубита, поэтому атом “не замечает” ловушки. Идея пришла из области оптических часов, где важна стабильность частоты. Здесь ее применили для стабильности квантового состояния — редкий случай переноса технологии из метрологии в память.
Враг второй: магнитный шум
Даже в идеальной ловушке остаются магнитные поля. Они флуктуируют хаотично, сбивая кубит с равновесия. Чтобы усреднить эти помехи, инженеры применили динамическую развязку — серию коротких лазерных импульсов, заставляющих кубит быстро переворачиваться. Метод известен как последовательность Карра-Парселла, адаптированная для оптических переходов. Если магнитный шум толкает кубит в одну сторону, а следующий импульс переворачивает его, то за время эксперимента все толчки усредняются до нуля. Математики из Института автоматики и электрометрии СО РАН проработали теорию таких переворотов еще в 1970-х, но только сейчас она нашла свое звездное применение в квантовой памяти.
Использование трехкомпонентной системы катушек и магнитометров позволило снизить остаточное поле в области хранения до уровня менее одной миллигаусса, что минимизировало неоднородное уширение уровня. Удержание атомов в оптической ловушке исключило потери, связанные с пролетом атомов из области взаимодействия — размер пучка сигнального лазера составляет около ста микрон, атомы удерживаются на месте в течение нескольких миллисекунд, что сняло ограничение времени пролета. Ширина окна прозрачности была точно подобрана под спектр сигнального импульса для минимизации искажений и потерь при записи и считывании.
Как измеряли время
Самая тонкая часть эксперимента начиналась после того, как атомы оказывались в ловушке. Ученым предстояло не просто записать и считать импульс, а понять, сколько именно способна прожить квантовая когерентность. Для этого процедуру «остановка света» повторяли тысячи раз.
Облако холодных атомов рубидия готовили в нижнем энергетическом состоянии. Включали управляющий пучок, посылали в среду сигнальный импульс. Затем управляющий пучок плавно выключали — импульс замораживался внутри среды. Выдерживали паузу, после чего управляющий пучок включали снова, высвобождая считанный импульс. Лавинные фотодиоды и гетеродинное детектирование фиксировали его амплитуду и фазу.
Главная хитрость заключалась в том, что паузу увеличивали шаг за шагом — каждый раз на несколько наносекунд. Сигнал на выходе становился все слабее, пока не тонул в шумах. По этому затуханию, экспоненциальному спаду интенсивности, и вычисляли характерное время жизни памяти. Тысячи измерений, десятки часов работы, и на графике появлялась искомая точка: 1,51 микросекунды.
Сборка пазла
Установка состоит из нескольких основных узлов, разработанных в МГТУ им. Баумана и партнерских организациях. Вакуум здесь такой, что столкновение атома с молекулой остаточного газа — событие, которое случается раз в несколько минут. Давление 10-11 Торр в камере, изготовленной японской ULVAC Technologies, означает, что внутри свободно летающих молекул почти нет. Для атома иттербия это равносильно жизни в полной пустоте.
Магнито-оптическая ловушка из шести лазерных лучей охлаждения и катушек анти-Гельмгольца создает облако холодных атомов с температурой около десяти микрокельвинов. Для увеличения времени взаимодействия атомы перемещаются оптической дипольной ловушкой в область с меньшим градиентом магнитного поля — в магнитный экран. Лазерная система включает лазер охлаждения на 780 нанометров, лазер перекачки, лазер управляющего поля и лазер сигнального поля, ослабленный до уровня менее одного фотона на импульс в среднем.
Система магнитной стабилизации с катушками Гельмгольца, подавляющая флуктуации до уровня 10-5 Гаусс — в десятки тысяч раз слабее магнитного поля Земли, разработана в Институте лазерной физики СО РАН. Детекторы одиночных фотонов на сверхпроводящих нанопроводах производства компании Scontel чувствуют приход фотона с точностью до пикосекунды — в миллион раз быстрее, чем моргает человеческий глаз. Стабильность лазерной системы с фазовым шумом менее одного герца обеспечена объемными брэгговскими решетками от OptiGrate Corp. — элементами из фототерморефрактивного стекла с периодической структурой показателя преломления.
Что дают полторы микросекунды
В ходе серии экспериментов были получены следующие результаты. Время хранения составило 1,51 ± 0,05 микросекунды. Эффективная частота работы — 662 килогерца. Эффективность хранения, отношение энергии считанного и записанного импульсов, составила около 25 процентов для максимального времени хранения. Полученное значение является рекордным, превышая предыдущий мировой рекорд в 1,2 микросекунды, установленный группой из Венского технического университета в 2023 году, на 25 процентов.
Достигнутое время хранения открывает путь к созданию квантовых сенсоров нового поколения. В режиме хранения спиновое возбуждение чрезвычайно чувствительно к внешним возмущениям, например, к градиентам магнитного поля, создаваемым малозаметным объектом. Фаза коллективного состояния атомов изменяется под действием поля объекта.
Схема обнаружения строится следующим образом. Первый импульс записывается в память — это зонд. В процессе хранения атомы взаимодействуют с полем, рассеянным целью. Считывание происходит вторым импульсом. Интерференция считанного и эталонного импульсов позволяет измерить набег фазы с чувствительностью, ограниченной лишь квантовым пределом. Время хранения в полторы микросекунды увеличивает время накопления фазы, что пропорционально повышает чувствительность сенсора.
Пара запутанных фотонов рождается в нелинейном кристалле методом спонтанного параметрического рассеяния. Запутанность означает, что состояние двух частиц остается взаимосвязанным независимо от расстояния между ними. Один фотон летит к цели, второй ждет в памяти. Если цель отражает фотон, он возвращается и встречается с братом. По интерференции восстанавливается образ цели — даже если она невидима для обычного радара.
Раньше схема разбивалась о простое ограничение: память не удерживала фотон достаточно долго. Полторы микросекунды соответствуют дистанции 220 метров. Этого хватает для зондирования наземных объектов на городских трассах, движущихся целей. Частота 662 килогерца означает, что сенсор успевает делать сотни тысяч измерений в секунду — достаточно для наблюдения объектов, движущихся со сверхзвуковой скоростью. Концепцию квантового освещения Сет Ллойд из Массачусетского технологического института предложил еще в 2008 году. Но только сейчас инженерная база позволила приблизиться к практической реализации.
Итоги и следующие рубежи
В ходе выполнения работы были получены следующие основные результаты. Разработана теоретическая модель взаимодействия многоуровневых атомов с полями накачки и сигнала, позволившая определить оптимальные параметры для максимизации времени хранения. Создан экспериментальный прототип управляемой квантовой памяти на ансамбле холодных атомов, включающий системы лазерного охлаждения, вакуумирования и магнитной компенсации. Экспериментально достигнуто и подтверждено время хранения квантовой информации 1,51 микросекунды. Показано, что рекордное время достигнуто за счет подавления декогеренции, связанной с магнитным полем и движением атомов. Обоснована возможность использования разработанного прототипа в качестве чувствительного элемента квантового сенсора для обнаружения слабых полей и малозаметных объектов, где большое время хранения является критическим параметром.
Группа профессора Алексея Акимова из Физического института имени Лебедева разрабатывает новую конфигурацию магнито-оптической ловушки с компенсацией градиентов поля на уровне 10-6 Тл/м. Если эти работы увенчаются успехом, горизонт удержания расширится до десятков микросекунд, что откроет дорогу к квантовой связи на спутниковых трассах.
Разработанные технические решения и полученные физические результаты закладывают основу для создания отечественных квантовых повторителей и сенсоров сверхвысокой чувствительности. Полторы микросекунды — не цель, а индикатор. Квантовая память становится инструментом, а инструмент расширяет границы возможного.
#наука #квантовыекомпьютеры #технологии #будущее #российскаянаука #бауманка #физика #рекорд #чтозанаука #квантовыймир