Интернет, социальные сети и цифровые технологии полностью изменили то, как люди строят личные, профессиональные и деловые отношения. В основе этого общества лежит обмен информацией, которая сводится к простейшим единицам – битам. Бит может быть равен 0 или 1, и обычно в электронных схемах это отображается двумя уровнями напряжения. Способность хранить и обрабатывать биты стала фундаментом всей современной электроники, сделав возможными такие привычные задачи, как отправка писем, прослушивание музыки или сложные вычислительные симуляции. В этом огромную роль играет оперативная память (RAM), обеспечивающая временное хранение и быстрый доступ к данным.
В последние десятилетия физика шагнула дальше и подарила науке новый тип единицы информации – кубит. В отличие от классического бита, который всегда равен только 0 или 1, кубит может находиться в состоянии суперпозиции, то есть быть и 0, и 1 одновременно. Эта особенность открывает новые горизонты в вычислениях, хотя практические применения всё ещё находятся на стадии исследований. Для будущих квантовых компьютеров и квантового интернета также потребуется квантовая память – устройства, способные хранить кубиты и выдавать их по запросу. Однако пока не существует единого стандартного решения, подходящего для всех.
Недавно исследователи из ICFO под руководством профессора Юга де Ридматтена достигли важного прорыва в этой области. В журнале Physical Review X они представили систему из десяти управляемых ячеек квантовой памяти, в которых можно хранить кубиты в произвольной комбинации и извлекать их по требованию. Это стало развитием их более ранней работы, опубликованной в npj Quantum Information.
Учёные использовали два способа кодирования кубитов, широко применяемых в фотонных технологиях: пространственное, когда состояние определяется тем, в какую ячейку памяти попадает фотон, и временное, где кубит задаётся моментом прихода фотона. В своей установке они смогли хранить фотоны в нескольких временных интервалах внутри каждой ячейки, что стало уникальной особенностью подхода.
Для реализации эксперимента был использован кристалл, легированный празеодимом, охлаждённый до температуры всего 3 Кельвина. В нём удалось выделить 250 пространственно-временных “слотов” для хранения фотонов – это мировой рекорд для твердотельного устройства с возможностью выборочного извлечения данных. Такой результат особенно ценен, потому что синхронизация квантовых сетей требует именно памяти с доступом по запросу, а её реализация чрезвычайно сложна.
В новой работе учёные применили акустооптические дефлекторы, которые позволили направлять лазерные импульсы и управлять записью и чтением кубитов в нужных ячейках памяти. Проверка показала, что устройство сохраняет исходное квантовое состояние с достаточно высокой точностью. Более того, исследователи смогли одновременно сохранить и извлечь два кубита, что приближает их систему к созданию аналога оперативной памяти, но уже для квантовых технологий.
Команда предполагает, что в будущем такие массивы памяти можно будет объединять с источниками фотонных кластерных состояний, формируя большие запутанные системы для квантовых вычислений. Другим направлением применения станет развитие квантовых ретрансляторов, которые должны обеспечить работу квантового интернета на больших расстояниях. Новый подход позволяет использовать разные ячейки памяти параллельно, не дожидаясь “сигнала успеха”, и тем самым ускорять процесс распределения запутанности между удалёнными узлами.
Следующая цель исследователей – повысить эффективность и время хранения кубитов, а также увеличить количество ячеек памяти и научиться напрямую хранить запутанные состояния. Всё это открывает путь к созданию настоящей квантовой “оперативки”, способной радикально изменить вычислительную технику и системы связи будущего.