Оптическая память: что можно спрятать в одном фотоне?

Впервые в мире была создана оптическая память — ключевой компонент для квантовых компьютеров. На примере оптоволокна с пустым ядром была показана работа с единственной частицей света — фотоном.

Единичные фотоны света — это основные строительные блоки для квантовых компьютеров и сенсоров. К сожалению, создание хотя бы одного фотона крайне сложная задача: если источники единичных фотонов и появляются, то редко и на короткое время. В результате, создание множества единичных фотонов в одно время становится маловероятным событием, о чем сетуют те, кто хочет использовать одиночные фотоны для выполнения вычислений. В теории, оптическая память может хранить единичные фотоны, генерируемые отдельными источниками, ненадолго «кэшируя» их, так что появляется возможность создания множества синхронизированных одиночных фотонов одновременно. Также синхронизированные фотоны могут быть использованы для вычислений, которые во много раз быстрее, чем подвластные традиционным компьютерам.

Международная группа ученых Оксфордского университета продемонстрировала в рамках нового эксперимента возможность сохранения световых импульсов, полученных с помощью атомов цезия и замкнутых в специально разработанном пустотном оптическом волокне при комнатной температуре. Работа опубликована в Nature Photonics.

«В отличие от стандартного волокна, изготовленного со стеклянной сердцевиной, которое вполне может проходить по вашей улице и обеспечивать вас Интернетом, это волокно может переносить свет в пустом ядре, которое потом можно загрузить атомами для повышения взаимодействия с оптическими импульсами», — рассказал Майкл Спрэг из Оксфордского отделения физики, ведущий автор исследования.
«Поскольку свет и атомы сосредоточены на небольшой площади внутри волокна, количество энергии, необходимое для управления памятью, уменьшено в 200 раз. Мы показали, что можем хранить свет с уровнем шума, который намного меньше, чем у одиночного фотона, что обещает возможность хранения света в качестве памяти с интересными квантовыми свойствами».
В то время как волокно на основе цезия несовместимо с обычным оптическим волокном, которое используется в телекоммуникациях, было бы целесообразным соединение полого волокна оптической памяти с обычной оптической сетью. На данный момент экспериментальная оптическая память живет 30 наносекунд, но команда считает, что сможет увеличить этот показать до 100 наносекунд; не очень долго для некоторых применений, но достаточно долго, чтобы создать синхронизированные группы одиночных фотонов.

«До сих пор никто не дошел до рубежа хранения истинного единичного фотона в памяти при комнатной температуре, но наша работа показывает, что память десятков синхронизированных одиночных фотонов, работающих вместе, вполне может стать реальностью через несколько лет», — подытожил Майкл Спрэг.