Новый материал может стать квантовой памятью будущего

Исследователи из немецкого Института физики света Общества Макса Планка представили свою новую разработку, которая претендует на звание хранилища квантовой памяти будущего. Группа учёных также впервые изучила отдельные ионы редкоземельных элементов в кристалле при помощи микроскопии и спектроскопии высокого разрешения.

Оригинальный лазер и микроскопическое исследование позволили физикам определить позицию трёхзарядных положительных атомов празеодима внутри ортосиликата иттрия с точностью до нескольких нанометров и исследовать их слабое взаимодействие со светом. Данная работа является важным шагом на пути к развитию квантовых вычислительных технологий, потому что ионы подходят для хранения и обработки квантовой информации.

Поскольку оптические свойства квантовых систем являются их основой, многие исследователи в настоящее время сосредоточили свое внимание на таких системах, как светоизлучающие дефекты кристалла в алмазе или на полупроводниковых квантовых точках. Однако до сих пор идеальное хранилище квантовой информации подобрать не удавалось.

"Некоторые из источников света теряют яркость или мерцают неконтролируемым образом. Другие же сильно зависят от окружающей среды, в которую они встроены", — поясняет ведущий автор исследования Вахид Сандогдар (Vahid Sandoghdar).

Давно известно, что ионы редкоземельных элементов, таких как неодим или эрбий не имеют таких проблем — по той же причине они являются основой лазерных технологий. Тем не менее, такие элементы нелегко получить. Но группе Сандогдара это удалось: после шести лет упорных исследований физики создали отдельные ионы празеодима и с беспрецедентной точностью измерили их оптические свойства.

Трёхзарядные положительные ионы были встроены в крошечные микрокристаллы и нанокристаллы ортосиликата иттрия. Их энергии варьируются слабо в зависимости от положения в кристалле. Другими словами, они реагируют на излучение немного различающихся частот. Учёные использовали это свойство, чтобы возбудить отдельные ионы в кристаллах с помощью лазера и понаблюдать, как они будут излучать энергию через некоторое время в виде света.

"Так как на ионы редкоземельных элементов не сильно влияют тепловые и акустические колебания в кристалле, некоторые из их энергетических состояний оказывались необычайно стабильными. Проходит больше минуты, прежде чем они переходят обратно в своё основное состояние, а это в миллион раз дольше, чем большинство других квантовых систем, исследуемых сегодня", — рассказывает Сандогдар.

На деле это означает, что с такой системой гораздо проще работать, так как такие сигналы легче поймать. На данный момент индивидуальные ионы испускают менее ста фотонов в секунду. Поэтому исследователи также обдумывают в будущем использовать наноантенны и микрорезонаторы для усиления сигнала празеодима в сто или тысячу раз. После выполнения этого этапа можно будет судить о том, может ли такая система претендовать на звание квантовой.

Результаты эксперимента Сандогдар и его коллеги описали в статье, которая вышла в журнале Nature Communications.