Квантовый буфер в действии
Новый физический эксперимент открывает путь к созданию систем квантовой оптической памяти
В настоящее время во многих странах ведутся работы по созданию компьютеров, действующих на основе квантовой логики. Конечно, они будут нуждаться в соответствующих вспомогательных системах, в частности, запоминающих устройствах. Подобные устройства в принципе могут хранить информацию, записанную во многих формах, в частности, в виде зрительных образов. Законы квантовой механики позволяют создавать изображения одного и того же объекта с помощью сигналов, обладающих куда большим сходством друг с другом, нежели это возможно с точки зрения классической физики. Такие квантовые картинки принято называть «спутанными» (по-английски, entangled). В июне прошлого года были опубликованы результаты очень красивого эксперимента американских физиков, в ходе которого удалось получить именно такие квантовые «фотографии». Его выполнили четверо сотрудников Объединенного квантового института, находящегося под совместным управлением Национального института стандартов и технологии и Мэрилендского университета. Эти ученые воспользовались простой, но очень эффективной оптической техникой, которую называют четырехволновым смешиванием. Она позволяет создавать пары спутанных изображений одного и того же предмета с помощью лазерных лучей различной интенсивности, проходящих через прозрачный контейнер со специально подобранным газом. В эксперименте, который провели Винсент Бойер, Алберто Марино, Рафаэл Пуузер и Пол Летт, контейнер был заполнен парами рубидия. Через него пропускался слабый лазерный луч, который предварительно прошел через пластинку с вырезанными контурами латинских букв N и T. Внутри контейнера этот луч (его называют зондирующим) встретился с более мощным лазерным лучом накачки. Оба луча несчетное число раз взаимодействовали с атомами рубидия, которые при этом поглощали и вновь испускали световые кванты. В результате из контейнера вышли уже два расходящихся луча, несущие изображения вырезанных в маске букв. Эта пара состояла из исходного зондирующего луча, усиленного энергетической подпиткой от луча накачки, и его более слабого подобия, так называемого сопряженного луча, рожденного внутри контейнера. Оба изображения были совершенно идентичны, только второе было повернуто относительно первого на 180 градусов. Они состояли из ста отдельных элементов, каждый из которых был квантовой копией своего партнера. Это означает, что неизбежные флуктуации световых сигналов, которые их переносили, были очень сильно скоррелированы друг с другом. Отсюда как раз и следует, что они переносили одну и ту же квантовую инфрмацию. Правда, изображения обеих букв при проекции на экран получились очень расплывчатыми, но ничего иного и не ожидалось. Винсент Бойер и его коллеги еще в прошлом году объявили, что готовят новый эксперимент, в котором будут получены такие же идентичные квантовые изображения, но только разнесенные во времени. Теперь они этот план осуществили, о чем 12 февраля сообщили в журнале Nature. В новом эксперименте был задействован не один контейнер с парами рубидия, а целых два. Первый выполнял те же функции, что и в прошлогодней работе. Из него выходили два луча, пробный и сопряженный, несущие информации об одном и том же объекте (в данном случае это была буква ħ, которой физики обозначают редуцированную постоянную Планка). Сопряженный луч направлялся прямо на детектирующее устройство, а вот зондирующий сначала проходил через второй контейнер, который в это время подсвечивался еще одним лазером накачки. Этот лазер настолько увеличивал коэффициент преломления рубидиевого пара, что скорость прохождения зондирующего луча уменьшалась в 500 раз по сравнению со скоростью света в воздухе или (что, практически, то же самое) в вакууме. В результате зондирующий луч доходил до детектора с опозданием в 27 наносекунд по сравнению с сопряженным. Тем не менее, оба световых сигнала вновь демонстрировали такую же квантовую спутанность, как и в прошлогоднем эксперименте. Все колебания интенсивности сопряженного луча воспроизводились и в зондирующем, только с 27-наносекундной задержкой. Опробованная в этом эксперименте система называется квантовым буфером. Такие буферы создавались и раньше, однако они позволяли сохранять сигналы куда меньшей сложности. Таким образом, новый эксперимент имеет все шансы стать значительным шагом к созданию систем квантовой оптической памяти. Винсент Бойер в беседе с Русской службой «Голоса Америки» отметил, что его группа намерена без задержки двигаться дальше. По его словам, необходимо, прежде всего, значительно повысить продолжительность временного разрыва между спутанными сигналами. Причем это надо сделать так, чтобы не уменьшить уже достигнутую степень квантовой корреляции между следующими друг за другом сигналами – а в перспективе даже и повысить. В общем, впереди еще много работы.