Команда з Коледжу інженерії Ґрейнджера Університету Іллінойсу в Урбана-Шампейн розробила мікрочип, здатний надійно «притримати» квантове світло. Нова інтегрована нанофотонна платформа зберігає фотони понад 1 мікросекунду і при цьому підходить для масштабного промислового виробництва, повідомляє Newswise Science News.
Чому так важко «поставити світло на паузу»
Квантова інформація переноситься частинками світла — фотонами. У квантових пристроях їх часто потрібно тимчасово зупинити, поки інші, повільніші операції «наздоженуть» світловий сигнал. Але на чипі розміром всього близько сантиметра світло долає цю відстань за кілька трильйонних часток секунди, тому створити тривалу затримку вкрай складно.
Затримка на рівні мікросекунди вважається великим стрибком для можливостей квантових мікрочипів. Однак традиційні методи тут малоефективні. У звичайній фотоніці, що використовує волокна, дзеркала та інші макроскопічні елементи, світло просто змушують йти довшим шляхом. Чим цей шлях більший, тим вищий ризик, що фотон поглине матеріал — і квантова інформація буде втрачена.
Інший підхід — прив’язати фотони до дуже когерентних атомів, які здатні довше «тримати» квантовий стан. Але сумістити такі атомні системи з мініатюрними й тиражованими нанофотонними платформами досі було майже неможливо.
Нанохвилевід з ніобату літію та «гребінь» з атомів
Група під керівництвом фізикині Елізабет Ґолдшмідт (Elizabeth Goldschmidt) пішла іншим шляхом. Вони використали попередні розробки в галузі матеріалів з домішками рідкісноземельних елементів і явища сповільненого світла, пов’язаного зі спектральним вигоранням (spectral hole burning).
Дослідники створили наноразмірний хвилевід із тонкоплівкового ніобату літію (thin-film lithium niobate, TFLN) — матеріалу, відомого сильним утриманням світла, малими оптичними втратами та можливістю виробництва на великих пластинах. Хвилевід легували атомами ербію, які мають корисні квантові властивості.
Керований лазер дозволив спектрально «розставити» ці атоми у вигляді структури з рівномірно розташованими піками частот — так званого атомного частотного гребеня (atomic frequency comb). У такій конфігурації атоми можуть на певний час «захоплювати» й утримувати вхідні фотони, а потім віддавати їх через заздалегідь заданий проміжок часу.
Мікросекунда затримки та шлях до промислових квантових чипів
Отриманий пристрій продемонстрував високу точність збереження квантової інформації, час зберігання понад 1 мікросекунду та здатність одночасно утримувати кілька фотонів. Ключовою перевагою є те, що цю платформу можна відносно просто відтворювати, тож вона має потенціал для масштабного випуску.
За словами авторів роботи, ніхто раніше не зберігав світло на чипі в подібній платформі з такою перспективою масштабування. Технологія побудована на одному з провідних матеріалів для квантової оптики й квантових інформаційних систем і вже орієнтована на індустріальне застосування.
Елізабет Ґолдшмідт підкреслює, що пристрій не є унікальним лабораторним експериментом, який важко відтворити. Сила підходу в його простоті: те, що раніше вимагало дуже спеціалізованих лабораторних умов, тепер реалізовано в інтегрованій платформі, придатній для серійного виробництва фахівцями, які можуть не мати глибоких знань у квантовій оптиці.
Що ще потрібно для практичної квантової пам’яті
Попри значний прогрес, до практичних застосувань ще залишаються кроки. Реальний пристрій квантової пам’яті на такому чипі має забезпечувати вищу ефективність повернення фотонів і ще довший час зберігання. Команда планує вдосконалювати частотний гребінь і випробовувати інші ізотопи ербію, які краще захищені від шуму.
Лабораторія Ґолдшмідт також досліджує додаткові застосування цієї техніки спектрального «налаштування» ансамблю атомів для створення інших елементів квантової фотоніки. На її думку, нинішня робота — це один із кроків до повноцінної інтеграції квантових пам’ятей у масштабовані чипові квантові комп’ютери та мережі зв’язку.