Исследователи из Института Нильса Бора при Копенгагенском университете разработали новый способ создания квантовой памяти: небольшой барабан может хранить данные, отправленные со светом, в своих звуковых вибрациях, а затем пересылать их с помощью новых источников света, когда они снова понадобятся. Результаты показывают, что механическая память для квантовых данных может стать стратегией, которая проложит путь к сверхбезопасному Интернету с невероятными скоростями.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters,.
Прямо под старым офисом Нильса Бора находится подвал, где разбросанные столы покрыты маленькими зеркалами, лазерами и скоплением всех типов устройств, соединенных паутиной проводов и кучами ленты. Похоже, детский проект зашел слишком далеко, и родители тщетно пытались заставить их навести порядок.
Хотя неподготовленному глазу трудно заметить, что эти таблицы на самом деле являются местом проведения множества ведущих мировых исследовательских проектов, важные вещи происходят в мирах настолько маленьких, что к ним не применимы даже законы Ньютона. Именно здесь наследники Нильса Бора в области квантовой физики разрабатывают самые передовые квантовые технологии.
Один из этих проектов выделяется (по крайней мере, для физиков) тем, что штуковина, видимая невооруженным глазом, способна достигать квантовых состояний. Квантовый барабан представляет собой небольшую мембрану из керамического, похожего на стекло материала, с отверстиями, расположенными аккуратным узором по краям.
Когда в барабан ударяют светом лазера, он начинает вибрировать, причем делает это так быстро и без помех, что в игру вступает квантовая механика. Это свойство уже давно вызвало переполох, открыв ряд квантовых технологических возможностей.
Теперь сотрудничество в различных квантовых областях Института продемонстрировало, что барабан также может играть ключевую роль для будущей сети квантовых компьютеров. Подобно современным алхимикам, исследователи создали новую форму «квантовой памяти», преобразуя световые сигналы в звуковые вибрации.
В своей только что опубликованной исследовательской статье исследователи доказали, что квантовые данные от квантового компьютера, излучаемые в виде световых сигналов (например, через тот тип оптоволоконного кабеля, который уже используется для высокоскоростных подключений к Интернету), могут храниться в виде вибраций в барабан, а затем пересылается.
Предыдущие эксперименты продемонстрировали исследователям, что мембрана может оставаться в хрупком квантовом состоянии. На этом основании они полагают, что барабан должен быть способен принимать и передавать квантовые данные без их «декогерентизации», то есть потери своего квантового состояния, когда квантовые компьютеры готовы.
«Это открывает большие перспективы на тот день, когда квантовые компьютеры действительно смогут делать то, чего мы от них ожидаем. Квантовая память, вероятно, будет иметь фундаментальное значение для передачи квантовой информации на расстояния. Итак, то, что мы разработали, является важной частью самой основы Интернета будущего с квантовой скоростью и квантовой безопасностью», — говорит постдок Мадс Бьеррегард Кристенсен из Института Нильса Бора, ведущий автор новой исследовательской статьи.
Сверхбыстрый, сверхбезопасный
При передаче информации между двумя квантовыми компьютерами на расстоянии (или между многими компьютерами в квантовом Интернете) сигнал быстро заглушается шумом. Количество шума в оптоволоконном кабеле увеличивается экспоненциально с увеличением длины кабеля. В конце концов, данные больше не могут быть декодированы.
Классический Интернет и другие крупные компьютерные сети решают эту проблему шума путем усиления сигналов на небольших станциях вдоль маршрутов передачи. Но чтобы квантовые компьютеры могли применить аналогичный метод, они должны сначала перевести данные в обычные двоичные системы счисления, например те, которые используются обычным компьютером.
Это не пойдет. Это замедлит работу сети и сделает ее уязвимой для кибератак, поскольку шансы на эффективность классической защиты данных в будущем квантовых компьютеров очень малы.
«Вместо этого мы надеемся, что квантовый барабан сможет взять на себя эту задачу. Он показал большие перспективы, поскольку невероятно хорошо подходит для приема и повторной отправки сигналов от квантового компьютера. Итак, цель — расширить связь между квантовыми компьютерами через станции, где квантовые барабаны принимают и ретранслируют сигналы, и при этом избежать шума, сохраняя при этом данные в квантовом состоянии», — говорит Кристенсен.
«При этом скорость и преимущества квантовых компьютеров, например, в отношении некоторых сложных вычислений, будут распространяться на сети и Интернет, поскольку они будут достигаться за счет использования таких свойств, как суперпозиция и запутанность, которые являются уникальными для квантовых состояний».
В случае успеха станции также смогут расширять квантово-защищенные соединения, квантовые коды которых также можно будет удлинять с помощью барабана. Эти безопасные сигналы можно будет отправлять на различные расстояния — по квантовой сети или через Атлантику — в квантовом Интернете будущего.
Гибкая, практичная и, возможно, революционная квантовая оперативная память
В других местах проводятся исследования альтернативы, когда источник света, передающий данные, направлен на атомную систему и временно смещает электроны в атоме, но этот метод имеет свои ограничения.
«Есть ограничения на то, что вы можете сделать с атомной системой, поскольку мы не можем спроектировать атомы или частоту света, с которой они могут взаимодействовать с нами. Наша относительно «большая» механическая система обеспечивает большую гибкость. Мы можем экспериментировать и приспосабливаться, так что, если новые открытия изменят правила игры, есть хороший шанс, что квантовый барабан можно будет адаптировать», — объясняет профессор Альберт Шлиссер, соавтор исследовательской статьи.
«Хорошо это или плохо, но наши способности как исследователей в основном определяют пределы того, насколько хорошо все это работает», — отмечает он.
Барабан представляет собой новейший и наиболее серьезный подход к механической квантовой памяти, поскольку он сочетает в себе ряд свойств: Барабан имеет низкие потери сигнала, то есть мощность сигнала данных хорошо сохраняется. Он также имеет огромное преимущество: он способен обрабатывать все световые частоты, включая частоту, используемую в оптоволоконных световых кабелях, на которых построен современный Интернет.
Квантовый барабан удобен еще и тем, что данные можно хранить и читать, когда это необходимо. А рекордные 23 миллисекунды времени памяти, уже достигнутые исследователями, делают гораздо более вероятным, что technology однажды может стать строительным блоком для систем квантовых сетей, а также аппаратного обеспечения квантовых компьютеров.
«Мы рано приступили к этому исследованию. Квантовые вычисления и связь все еще находятся на ранней стадии развития, но с учетом полученной нами памяти можно предположить, что квантовый барабан однажды будет использоваться в качестве своего рода квантовой оперативной памяти, своего рода временной рабочей памяти для квантовой информации. . И это было бы новаторством», — говорит профессор.