Квантовая память - Quantum memory

«QRAM» перенаправляется сюда. Не следует путать с Диспетчер расширенной памяти Quarterdeck.
Единицы из
Информация
Часть серии на
Квантовая механика

В квантовые вычисления, квантовая память это квантово-механический версия обычного память компьютера. В то время как обычная память хранит информацию как двоичный состояний (представленных «1» и «0»), квантовая память хранит квантовое состояние для последующего поиска. Эти состояния содержат полезную вычислительную информацию, известную как кубиты. В отличие от классической памяти обычных компьютеров, состояния, хранящиеся в квантовой памяти, могут быть квантовая суперпозиция, что дает гораздо больше практической гибкости в квантовые алгоритмы чем классическое хранилище информации.

Квантовая память необходима для разработки многих устройств в квантовая обработка информации, включая инструмент синхронизации, который может соответствовать различным процессы в квантовый компьютер, квантовый вентиль, который поддерживает идентичность любого состояния, и механизм для преобразования заранее определенных фотонов в фотоны по запросу. Квантовая память может использоваться во многих аспектах, например: квантовые вычисления и квантовая связь. Непрерывные исследования и эксперименты позволили квантовой памяти реализовать хранилище кубитов.[1]

Предпосылки и история

Взаимодействие квантового излучения с множеством частиц вызвало научный интерес в последнее десятилетие.[нужен контекст ] Квантовая память - одно из таких полей, отображающее квантовое состояние света на группу атомов и затем возвращающее ему первоначальную форму. Квантовая память - ключевой элемент в обработке информации, такой как оптические квантовые вычисления и квантовая связь, открывая новый путь для основы взаимодействия света с атомом. Как мы все знаем, восстановление квантового состояния света - непростая задача. Хотя достигнут впечатляющий прогресс, исследователи все еще работают над его осуществлением.[2]

Квантовая память на основе квантового обмена позволяет хранить фотонные кубиты Кесселя и Моисеева[3] обсудил квантовую память в однофотонном состоянии в 1993 году. Эксперимент был проанализирован в 1998 году и продемонстрирован в 2003 году. По сути, исследование квантовой памяти в однофотонном состоянии можно рассматривать как продукт классической оптической технологии хранения данных, предложенной в 1979 и 1982 годы. Не только это, но и идея была вдохновлена ​​высокой плотностью хранения данных в середине 1970-х годов. Хранение оптических данных может быть достигнуто за счет использования поглотителей для поглощения света различных частот, который затем направляется в точки пространства луча и сохраняется.

Типы

Световая квантовая память

Обычные классические оптические сигналы передаются путем изменения амплитуды света. В этом случае можно использовать лист бумаги или жесткий диск компьютера для хранения информации о лампе. Однако в сценарии квантовой информации информация может быть закодирована в соответствии с амплитудой и фазой света. Для некоторых сигналов вы не можете измерить одновременно амплитуду и фазу света, не мешая сигналу. Чтобы хранить квантовую информацию, вам нужно хранить сам свет, не измеряя его. Если его измерить, информация теряется. Свет для квантовой памяти - это запись состояния света в атомное облако. Когда свет поглощается атомами, они могут вводить всю информацию о кванте света.[4]

Твердая квантовая память

В классических вычислениях память - это тривиальный ресурс, который может быть воспроизведен в оборудовании с долговременной памятью и извлечен позже для дальнейшей обработки. В квантовых вычислениях это запрещено, потому что, согласно теореме об отсутствии клонов, любое квантовое состояние не может быть воспроизведено полностью. Следовательно, в отсутствие квантовой коррекции ошибок хранение кубитов ограничено временем внутренней когерентности физических кубитов, содержащих информацию. «Квантовая память» выходит за рамки заданных физических ограничений хранения кубитов, это будет квантовая передача информации на «хранящие кубиты», на «хранящие кубиты» нелегко повлиять окружающий шум и другие факторы, а затем, когда потребуется информация, обратно в предпочтительный «обрабатывать кубиты», чтобы обеспечить быструю работу или чтение.[5]

Navg1.png

Открытие

Оптическая квантовая память обычно используется для обнаружения и хранения квантовых состояний одиночных фотонов. Однако создание такой эффективной памяти по-прежнему является огромной проблемой для современной науки. Энергия одного фотона слишком мала, чтобы его можно было потерять на сложном световом фоне. Эти проблемы долгое время подавляли квантовую память ниже 50%. Команда под руководством профессора Ду Шэнвана с факультета физики Гонконгского университета науки и технологий[6] и Институт нанонауки и технологий Уильяма Монга в HKUST [7] нашел способ повысить эффективность оптической квантовой памяти до более чем 85 процентов. Это открытие также приближает популярность квантовых компьютеров к реальности. В то же время квантовая память также может использоваться в качестве повторителя в квантовой сети, которая закладывает основу для квантового Интернета.

Исследования и применение

Квантовая память - важный компонент приложений квантовой обработки информации, таких как квантовая сеть, квантовый повторитель, линейные оптические квантовые вычисления или квантовая связь на большом расстоянии.[8]

Оптическое хранение данных было важной темой исследований на протяжении многих лет. Его наиболее интересная функция - использование законов квантовой физики для защиты данных от кражи с помощью квантовых вычислений и квантовой криптографии, безоговорочно гарантированной безопасности связи.[9]

Они позволяют накладывать частицы и находиться в состоянии суперпозиции, что означает, что они могут представлять несколько комбинаций одновременно. Эти частицы называются квантовыми битами или кубитами. С точки зрения кибербезопасности, магия кубитов заключается в том, что если хакер пытается наблюдать за ними в пути, их хрупкие квантовые состояния разрушаются. Это означает, что хакеры не могут вмешиваться в сетевые данные, не оставляя следов. Сейчас многие компании используют эту возможность для создания сетей, передающих высокочувствительные данные. Теоретически эти сети безопасны.[10]

Хранение в микроволновой печи и преобразование в микроволновую печь с обучением свету

В азотно-вакансионный центр в алмазе привлекло много исследований в последнее десятилетие из-за его превосходных характеристик в оптических нанофотонных устройствах. В недавнем эксперименте электромагнитно-индуцированная прозрачность был реализован на многопроходном алмазном чипе для достижения полного определения фотоэлектрического магнитного поля. Несмотря на эти тесно связанные эксперименты, оптическая память еще не реализована на практике. Существующая структура энергетических уровней азот-вакансионного центра (отрицательный заряд и нейтральный азот-вакансионный центр) делает возможным оптическое накопление азотно-вакансионного центра алмаза.

Связь между ансамблем спинов азот-вакансия и сверхпроводящими кубитами обеспечивает возможность микроволнового хранения сверхпроводящих кубитов. Оптическая память сочетает в себе связь электронного спинового состояния и сверхпроводящих квантовых битов, что позволяет центру вакансии азота в алмазе играть роль в гибридной квантовой системе взаимного преобразования когерентного света и микроволн.[11]

Орбитальный угловой момент сохраняется в основном паре.

Большая глубина резонансного света - предпосылка создания эффективной квантово-оптической памяти. Изотопы паров щелочных металлов с большим количеством оптических глубин в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн, потому что они представляют собой относительно узкую спектральную линию, а количество высокой плотности при теплой температуре 50-100 ° C. Пары щелочного металла использовались в некоторых из самых важные разработки в области памяти, от ранних исследований до обсуждаемых нами последних результатов, благодаря их высокой оптической глубине, длительному когерентному времени и легкому оптическому переходу в ближней инфракрасной области.

Из-за его высокой способности передачи информации люди все больше и больше интересуются его применением в области квантовой информации. Структурированный свет несет в себе орбитальный угловой момент, который должен храниться в памяти, чтобы точно воспроизводить сохраненные структурные фотоны. Квантовая память атомного пара идеально подходит для хранения таких лучей, поскольку орбитальный угловой момент фотонов может быть отображен на фазу и амплитуду возбуждения распределенного интегрирования. Диффузия является основным ограничением этого метода, поскольку движение горячих атомов разрушает пространственную когерентность накопительного возбуждения. Первые успехи заключались в хранении слабо когерентных импульсов пространственной структуры в теплом ультрахолодном атомном целом. В одном эксперименте та же группа ученых в двухорбитальном цезии магнитооптическая ловушка был способен сохранять и извлекать векторные пучки на однофотонном уровне, характеризующемся изменением плоской поляризации поперечного пучка. Память сохраняет инвариантность вращения векторного луча, что позволяет использовать его в сочетании с кубитами, закодированными для некорректной иммунной квантовой связи.

Первая структура хранения, реальный одиночный фотон, была получена с помощью электромагнитно-индуцированной прозрачности в рубидиевой магнитооптической ловушке. Предсказанный одиночный фотон, генерируемый спонтанным четырехволновое смешение в одной магнитооптической ловушке создается блок орбитального момента с использованием спиральных фазовых пластин, сохраняется во второй магнитооптической ловушке и восстанавливается. Двухорбитальная установка также доказывает когерентность в многомодовой памяти, где заранее объявленный одиночный фотон сохраняет состояние суперпозиции орбитального углового момента в течение 100 наносекунд.[12]

Оптический квант

GEM

GEM (Gradient Echo Memory) - это технология оптического хранения фотонного эха. Идея была впервые продемонстрирована исследователями ANU. Их эксперимент представляет собой трехуровневую систему на основе пара. Эта система является самой эффективной из тех, что мы когда-либо видели в горячем паре, до 87%.[13]

Электромагнитно индуцированная прозрачность

Смотрите также: Электромагнитно индуцированная прозрачность

Электромагнитная прозрачность была впервые представлена ​​Харрисом и его коллегами из Стэнфордского университета в 1990 году.[14] Работа показывает, что когда лазерный луч вызывает квантовую интерференцию между путями возбуждения, оптический отклик атомной среды изменяется, чтобы устранить поглощение и преломление на резонансных частотах атомных переходов. Медленный свет, оптическая память и квантовая память реализованы на основе электромагнитно индуцированной прозрачности. По сравнению с другими подходами, подход к прозрачности, индуцированной электромагнитным полем, имеет длительное время хранения и является относительно простым и недорогим решением для реализации. Электромагнитно индуцированная прозрачность не требует очень мощных управляющих лучей, необходимых для рамановской квантовой памяти, а также не требует определенных температур жидкого гелия. Кроме того, в отличие от метода, основанного на фотонном эхо, фотонное эхо может считывать электромагнитно индуцированную прозрачность, в то время как спиновая когерентность сохраняется из-за временной задержки считывающего импульса, вызванной восстановлением спина в неравномерно уширенной среде. Хотя существуют некоторые ограничения на рабочую длину волны, полосу пропускания и пропускную способность моды, были разработаны методы, позволяющие сделать квантовую память прозрачной электромагнитной прозрачности возможной в квантовых информационных системах.[15] В 2018 году была продемонстрирована высокоэффективная квантовая память на основе EIT в холодном атоме с эффективностью хранения 92%, что является самым высоким рекордом на сегодняшний день.[16]

Кристаллы, легированные редкоземельными элементами

Взаимное преобразование квантовой информации между светом и веществом находится в центре внимания квантовой информатики. Исследовано взаимодействие одиночного фотона с охлажденным кристаллом, легированным редкоземельными ионами. Кристаллы, легированные редкоземельными элементами, имеют широкие перспективы применения в области квантовой памяти, поскольку они представляют собой уникальную прикладную систему.[17] Ли Чэнфэн из лаборатории квантовой информации Китайской академии наук разработал твердотельную квантовую память и продемонстрировал функцию вычисления фотонов с использованием времени и частоты. На основе этого исследования можно построить крупномасштабную квантовую сеть на основе квантового повторителя, используя хранение и когерентность квантовых состояний в материальной системе. Исследователи впервые показали кристаллы, легированные ионами редкоземельных элементов. Комбинируя трехмерное пространство с двумерным временем и двумерным спектром, создается своего рода память, отличная от общей. Он обладает многомодовой емкостью, а также может использоваться в качестве квантового преобразователя высокой точности. Экспериментальные результаты показывают, что во всех этих операциях точность трехмерного квантового состояния, переносимого фотоном, может поддерживаться на уровне около 89%.[18]

Рамановское рассеяние в твердых телах

Алмаз имеет очень высокое рамановское усиление в режиме оптических фононов 40 ТГц и имеет широкое переходное окно в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах, что делает его пригодным в качестве оптической памяти с очень широким диапазоном. После рамановского запоминающего взаимодействия оптический фонон распадается на пару фотонов через канал, а время распада составляет 3,5 пс, что делает алмазную память непригодной для протокола связи.

Тем не менее, алмазная память позволила провести некоторые показательные исследования взаимодействий между светом и веществом на квантовом уровне: оптические фононы в алмазе можно использовать для демонстрации квантовой памяти излучения, макроскопической запутанности, предсказываемого однофотонного накопления и однофотонной памяти. частотная манипуляция.[19]

Дальнейшее развитие

Для квантовой памяти квантовая связь и криптография - направления будущих исследований. Однако создание глобальной квантовой сети сопряжено с множеством проблем. Одна из самых важных задач - создать воспоминания, которые могут хранить квантовую информацию, переносимую светом. Исследователи из Женевского университета в Швейцарии, работающие с французским CNRS, обнаружили новый материал, в котором элемент под названием иттербий может хранить и защищать квантовую информацию даже на высоких частотах. Это делает иттербий идеальным кандидатом для будущих квантовых сетей. Поскольку сигналы невозможно воспроизвести, ученые сейчас изучают, как можно заставить квантовую память путешествовать все дальше и дальше, улавливая фотоны для их синхронизации. Для этого становится важным найти подходящие материалы для создания квантовой памяти. Иттербий является хорошим изолятором и работает на высоких частотах, так что фотоны могут сохраняться и быстро восстанавливаться.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Титтель, Вольфганг; Сандерс, Барри С.; Львовский, Александр Иванович (декабрь 2009 г.). «Оптическая квантовая память». Природа Фотоника. 3 (12): 706–714. Bibcode:2009НаФо ... 3..706л. Дои:10.1038 / nphoton.2009.231. ISSN  1749-4893.
  2. ^ Гуэ, Жан-Луи Ле; Моисеев, Сергей (2012). «Квантовая память». Журнал физики B: атомная, молекулярная и оптическая физика. 45 (12): 120201. Дои:10.1088/0953-4075/45/12/120201.
  3. ^ Ольссон, Никлас; Крёлль, Стефан; Моисеев, Сергей А. (2003). Bigelow, N.P .; Eberly, J. H .; Страуд, К. Р .; Уолмсли, И. А. (ред.). «Самоинтерференция одиночных фотонов с задержкой - эксперимент с двойной щелью во временной области». Когерентность и квантовая оптика VIII.. Springer US: 383–384. Дои:10.1007/978-1-4419-8907-9_80. ISBN  9781441989079.
  4. ^ «Квантовая память». photonics.anu.edu.au. Получено 2020-06-18.
  5. ^ Freer, S .; Simmons, S .; Laucht, A .; Muhonen, J. T .; Dehollain, J. P .; Kalra, R .; Mohiyaddin, F.A .; Hudson, F .; Ито, К. М .; McCallum, J.C .; Джеймисон, Д. Н .; Дзурак, А. С .; Морелло, А. (2016). «Одноатомная квантовая память в кремнии». Квантовая наука и технологии. 2: 015009. arXiv:1608.07109. Дои:10.1088 / 2058-9565 / aa63a4.
  6. ^ "Shengwang Du Group | Лаборатория атомной и квантовой оптики". Получено 2019-05-12.
  7. ^ "RC02_William Mong Institute of Nano Science and Technology | Институты и центры | Исследовательские институты и центры | Исследования | Физический факультет HKUST". Physics.ust.hk. Получено 2019-05-12.
  8. ^ «Квантовые воспоминания [GAP-Optique]». www.unige.ch. Получено 2019-05-12.
  9. ^ Tittel, W .; Афзелиус, М .; Chaneliére, T .; Cone, R.L .; Kröll, S .; Моисеев, С. А .; Селларс, М. (2010). «Квантовая память с фотонным эхом в твердотельных системах». Обзоры лазеров и фотоники. 4 (2): 244–267. Bibcode:2010ЛПРв .... 4..244Т. Дои:10.1002 / lpor.200810056. ISSN  1863-8899.
  10. ^ «Квантовая коммуникация | PicoQuant». www.picoquant.com. Получено 2019-05-12.
  11. ^ Хешами, Хабат; Англия, Дункан Дж .; Хамфрис, Питер С.; Bustard, Филип Дж .; Акоста, Виктор М .; Нанн, Джошуа; Суссман, Бенджамин Дж. (12 ноября 2016 г.). «Квантовая память: новые приложения и последние достижения». Журнал современной оптики. 63 (20): 2005–2028. Дои:10.1080/09500340.2016.1148212. ISSN  0950-0340. ЧВК  5020357. PMID  27695198.
  12. ^ Хешами, Хабат; Англия, Дункан Дж .; Хамфрис, Питер С.; Bustard, Филип Дж .; Акоста, Виктор М .; Нанн, Джошуа; Суссман, Бенджамин Дж. (12 ноября 2016 г.). «Квантовая память: новые приложения и последние достижения». Журнал современной оптики. 63 (20): 2005–2028. Дои:10.1080/09500340.2016.1148212. ISSN  0950-0340. ЧВК  5020357. PMID  27695198.
  13. ^ «Квантовая память». photonics.anu.edu.au. Получено 2019-05-12.
  14. ^ Harris, S.E .; Филд, J. E .; Имамоглу А. (5 марта 1990 г.). «Нелинейные оптические процессы с использованием электромагнитной прозрачности». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 64 (10): 1107–1110. Bibcode:1990ПхРвЛ..64.1107Н. Дои:10.1103 / Physrevlett.64.1107. ISSN  0031-9007. PMID  10041301.
  15. ^ Ма, Лицзюнь; Слэттери, Оливер; Тан, Сяо (апрель 2017 г.). «Оптическая квантовая память на основе электромагнитно индуцированной прозрачности». Журнал оптики. 19 (4): 043001. Bibcode:2017JOpt ... 19d3001M. Дои:10.1088/2040-8986/19/4/043001. ISSN  2040-8978. ЧВК  5562294. PMID  28828172.
  16. ^ Сяо, Я-Фен; Цай, Пин-Джу; Чен, Хун-Шиуэ; Линь Шэн-Сян; Хунг, Чжи-Чиао; Ли, Чжи-Си; Чен И-Синь; Чен, Юн-Фань; Yu, Ite A .; Чен, Иинг-Чэн (май 2018 г.). «Высокоэффективная когерентная оптическая память на основе электромагнитно-индуцированной прозрачности». Phys. Rev. Lett. 120 (18): 183602. arXiv:1605.08519. Bibcode:2018PhRvL.120R3602H. Дои:10.1103 / PhysRevLett.120.183602. PMID  29775362.
  17. ^ "Твердотельная квантовая память | QPSA @ ICFO". qpsa.icfo.es. Получено 2019-05-12.
  18. ^ Саймон, С .; Афзелиус, М .; Appel, J .; Boyer de la Giroday, A .; Dewhurst, S.J .; Гисин, Н .; Hu, C.Y .; Железко, Ф .; Крёлль, С. (01.05.2010). «Квантовые воспоминания». Европейский физический журнал D. 58 (1): 1–22. arXiv:1003.1107. Дои:10.1140 / epjd / e2010-00103-y. ISSN  1434-6079.
  19. ^ Хешами, Хабат; Англия, Дункан Дж .; Хамфрис, Питер С.; Bustard, Филип Дж .; Акоста, Виктор М .; Нанн, Джошуа; Суссман, Бенджамин Дж. (12 ноября 2016 г.). «Квантовая память: новые приложения и последние достижения». Журнал современной оптики. 63 (20): 2005–2028. Дои:10.1080/09500340.2016.1148212. ISSN  0950-0340. ЧВК  5020357. PMID  27695198.

внешняя ссылка