Специалисты лаборатории LKB (Laboratoire Kastler Brossel) в Париже недавно достигли значительного прогресса в области хранения оптических квантовых данных, значительно увеличив показатель эффективности кубитов, функционирующих как предельно простой ячейки квантовой памяти, с 30% до 70%. Данное улучшение надежности и производительности позволяет использовать новую систему не только для сохранения информации, но и для реализации процедур квантового поиска. Следует подчеркнуть, что эффективность выше 50% является необходимым условием для практического применения ряда алгоритмов поиска и протоколов защищенной квантовой связи. Стоит отметить, что в последние годы наблюдается активное развитие различных типов квантовых памяти на основе разнообразных материалов, ионов, кристаллов и ультрахолодных атомов.

Они позволяют контролировать взаимодействия между носителем квантовой информации, обычно фотонами света, и физической средой для хранения данных. Однако, до последнего времени никакая из такой памяти не могла обеспечить уровень достоверности (сохранности исходных данных) более 30 процентов.

“Мы взяли несколько известных ключевых компонентов квантовых технологий и объединили их в пределах одной единственной установки” – рассказывает Пьер Верна-Грис (Pierre Vernaz-Gris), один из ведущих исследователей, – “Совмещение различных методов и технологий позволило нам добиться самой высокой эффективности, позволяющей с малым уровнем ошибок записывать, хранить и считывать информацию из оптических кубитов”.

Ключевым моментом новой технологии является преобразование фотонного кубита в соответствующее квантовое состояние охлажденных светом лазера атомов цезия. Контролирующий лазерный луч индуцирует состояние электромагнитной прозрачности облака атомов цезия.

В момент, когда в это облако попадает фотон-носитель квантовой информации, лазерный свет отключается и содержащаяся в фотоне информация преобразовывается в квантовое состояние атомов цезия. Это состояние сохраняется достаточно долго до того момента, когда атомы снова освещаются лазерным светом.

Такой подход уже использовался ранее для создания квантовой памяти, однако эффективность такого подхода связана напрямую с количеством атомов, вовлеченных в процесс взаимодействия. Французским ученым удалось создать сильно сжатое удлиненное облако сверхохлажденных атомов, длина которого была равна почти трем сантиметрам, которое оказалось способным эффективно хранить данные. Более того, ученым удалось реализовать технологию пространственного мультиплексирования облака сжатых атомов, получив в качестве “бонуса” высокое значение соотношения сигнал/шум.

Отметим, что группа из лаборатории LKB добилась множества успехов в области квантовых технологий за последние годы. Среди этих успехов можно выделить создание “многоуровневой” квантовой памяти, полной остановки света, распространяющегося внутри оптического волокна и многое другое.

Для любознательных

Разработкой квантовой памяти (необходимого компонента для создания квантового интернета, повторителей-репитеров и масштабируемых квантовых компьютеров) в России и мире занимаются ведущие академические институты, технологические гиганты и специализированные стартапы.

Ниже представлен подробный список ключевых участников этого рынка, разделенный на российскую и мировую экосистемы.

Разработчики квантовой памяти в России

Российские исследования сосредоточены на нескольких физических платформах: сверхпроводниковых чипах, твердотельных примесных кристаллах и холодных атомах. Координаторами многих проектов выступают госкорпорации «Росатом» (раздел вычислений) и «РЖД» (раздел коммуникаций). 

МГТУ им. Н.Э. Баумана и ВНИИА им. Н.Л. Духова

• • Прорыв: Создали и успешно испытали интегрированный на чипе прототип управляемой квантовой оперативной памяти.
  • Технология: Устройство работает на базе сверхпроводниковых СВЧ-резонаторов, позволяя «останавливать», хранить и по требованию считывать квантовые импульсы. 

Казанский квантовый центр при КНИТУ-КАИ и КФТИ им. Е.К. Завойского (ФИЦ КазНЦ РАН)

• • Прорыв: Мировые лидеры в разработке многомодовой и широкополосной квантовой памяти на основе фотонного эха в примесных кристаллах (под руководством профессора С. А. Моисеева).
  • Технология: Их схемы позволяют кодировать и сохранять в одном кристалле сразу множество квантовых состояний света (фотонов), что критически важно для квантовых сетей. 

Университет ИТМО (Санкт-Петербург)

• • Прорыв: Разрабатывают теоретические протоколы и практические архитектуры квантовых повторителей и сетевых узлов, интегрируя в них системы квантовой памяти. 

Центр квантовых технологий МГУ им. М.В. Ломоносова

• • Прорыв: Ведут исследования в области квантовой памяти на ансамблях нейтральных холодных атомов в оптических ловушках.

Российский квантовый центр (РКЦ)

• • Прорыв: Проводят междисциплинарные исследования, создавая интерфейсы для связи кубитов разной физической природы (например, перевод информации из ионов в фотоны для последующего сохранения).

Разработчики квантовой памяти в мире

На мировой арене идет жесткая конкуренция между США, Китаем и ЕС. Основной фокус направлен на достижение максимального времени хранения (времени когерентности) и эффективности считывания данных.

1. Академические лидеры

Гарвардский университет (Harvard University) и MIT (США)

• • Лаборатория под руководством Михаила Лукина (один из мировых пионеров квантовых технологий) — признанный лидер в создании квантовой памяти на основе NV-центров (центров окраски) в алмазах и кремнии. В связке с командой MIT они создают квантовые повторители нового поколения. 

Научно-технический университет Китая (USTC)

• • Команда под руководством «отца китайского квантума» Пань Цзяньвэя (Pan Jianwei). Они удерживают мировые рекорды по эффективности и дальности передачи данных через квантовую память, используя как холодные атомы, так и кристаллы, легированные редкоземельными элементами. Они создали первые узлы полноценной национальной квантовой сети. 

Делфтский технический университет (QuTech, Нидерланды)

• • Один из главных европейских хабов. Ученые QuTech успешно продемонстрировали многоузловую квантовую сеть, где узлы на основе алмазных кубитов выполняли роль долговременной квантовой памяти.

2. Коммерческие компании и стартапы

Amazon (AWS Quantum Networking)

• • Компания официально открыла исследовательское подразделение, сфокусированное исключительно на аппаратном создании квантовых репитеров и квантовой памяти для облачных сетей будущего.

Cisco Systems (США)

• • Сетевой гигант активно инвестирует в квантовую память, стремясь стать лидером на рынке оборудования для квантового интернета.

MemQ (США)

• • Стартап, отделившийся от Аргоннской национальной лаборатории. Специализируется на создании компактной квантовой памяти на чипе (на базе эрбия в кремнии), совместимой со стандартными телекоммуникационными оптоволоконными сетями.

Qunnect (США)

• • Компания производит коммерческие модули квантовой памяти на основе тепловых паров атомов рубидия. Их устройства не требуют экстремального криогенного охлаждения и могут монтироваться в стандартные серверные стойки.