Иллюстрация ядерной частотной гребенки, отображающей отдельные фотоны, визуализированные в логарифмическом масштабе от темных до ярких цветов, причем более яркие цвета указывают на моменты времени, когда сохраненные фотоны имеют более высокую вероятность извлечения. Эти моменты происходят ближе друг к другу для более высоких энергетических интервалов и более разнесены во времени для более низких энергетических интервалов. Кредит: DESY/Sven Velten
Свет является прекрасным носителем информации, используемым не только для классических коммуникационных технологий, но и все чаще для квантовых приложений, таких как квантовые сети и вычисления. Однако обработка световых сигналов гораздо сложнее по сравнению с работой с обычными электронными сигналами.
Международная группа исследователей, в которую входит доктор Ольга Кочаровская, выдающийся профессор кафедры физики и астрономии Техасского университета A&M, продемонстрировала новый способ хранения и высвобождения рентгеновских импульсов на уровне отдельных фотонов — концепция, впервые предложенная в более ранней теоретической работе группы Кочаровской, — которая может применяться в будущих рентгеновских квантовых технологиях.
Работа группы, возглавляемая профессором Йенского института имени Гельмгольца доктором Ральфом Рёлсбергером и выполненная с использованием синхротронных источников PETRA III в Немецком электронном синхротоне (DESY) в Гамбурге и Европейской установке синхротронного излучения во Франции, привела к первой реализации квантовой памяти в диапазон жесткого рентгеновского излучения.
Их результаты опубликованы в журнале Science Advances.
«Квантовая память является незаменимым элементом квантовой сети, обеспечивая хранение и извлечение квантовой информации», — сказала Кочаровская, сотрудник Техасского института квантовой науки и техники A&M.
«Фотоны являются быстрыми и надежными носителями квантовой информации, но их трудно удерживать стационарными на случай, если эта информация понадобится позже. Удобный способ сделать это — запечатлеть эту информацию в квазистационарной среде в виде поляризации или спиновой волны с большим временем когерентности и высвобождения ее обратно путем повторного излучения исходных фотонов.»
Кочаровская говорит, что было создано несколько протоколов для квантовой памяти, но они ограничены оптическими фотонами и атомными ансамблями. Использование ядерных, а не атомных ансамблей, добавляет она, обеспечивает гораздо более длительное время памяти, достижимое даже при высоких плотностях твердого тела и комнатной температуре.
Эти более продолжительные времена памяти являются прямым результатом более низкой чувствительности ядерных переходов к возмущениям внешних полей благодаря малым размерам ядер. В сочетании с жесткой фокусировкой высокочастотных фотонов такие подходы могут привести к разработке долгоживущих широкополосных компактных твердотельных квантовых запоминающих устройств.
«Прямое расширение оптических/атомных протоколов до рентгеновских/ядерных оказывается сложным или невозможным», — объясняет доктор Сивэнь Чжан, научный сотрудник в группе Кочаровской, который участвовал в эксперименте и был соавтором статьи группы. «Таким образом, в нашей предыдущей работе был предложен новый протокол».
По словам Чжана, идея, лежащая в основе нового протокола группы, очень проста, по крайней мере, с точки зрения квантовых основ. По сути, набор движущихся ядерных поглотителей образует частотную гребенку в спектре поглощения из-за доплеровского сдвига частоты, вызванного движением.
Короткий импульс со спектром, соответствующим гребенке, поглощенной таким набором ядерных мишеней, будет повторно излучаться с задержкой, определяемой обратным доплеровским сдвигом, в результате конструктивной интерференции между различными спектральными компонентами.
«Эта идея была успешно реализована в нашем текущем эксперименте с одним неподвижным и шестью синхронно движущимися поглотителями, которые образовали частотную гребенку с семью зубцами», — добавил Чжан.
Чжан говорит, что время жизни ядерной когерентности является ограничивающим фактором, который определяет максимальное время хранения для этого типа квантовой памяти. Например, использование более долгоживущих изомеров, чем изотоп железа 57, выбранный группой для их текущего исследования, приведет к более длительному времени памяти.
Несмотря на это, он отмечает, что работа на уровне отдельных фотонов без потери информации квалифицирует протокол ядерной частотной гребенки как квантовую память, что является первым для энергий рентгеновского излучения.
Следующие шаги, запланированные группой, включают в себя высвобождение по требованию сохраненных пакетов волн фотонов, что может привести к реализации запутанности между различными жесткими рентгеновскими фотонами — основным ресурсом для обработки квантовой информации.
Исследования группы также подчеркивают потенциал расширения оптических квантовых технологий на коротковолновой диапазон, который по своей сути менее «шумный» из-за усреднения флуктуаций по большому числу высокочастотных колебаний.
Кочаровская говорит, что сложные возможности интригуют, и что она и ее коллеги с нетерпением ждут продолжения изучения потенциала своей настраиваемой, надежной и высокоуниверсальной платформы для продвижения области квантовой оптики в рентгеновских энергиях в ближайшем будущем.
Дополнительная информация: Свен Вельтен и др., Ядерная квантовая память для жестких рентгеновских фотонных волновых пакетов, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adn9825
Информация о журнале: Science Advances
Предоставлено Техасским университетом A&M
