Физици създадоха квантова RAM памет, която помни неща, които не са се случили – и тя наистина работи

Интернет, социалните мрежи и цифровите технологии промениха изцяло начина, по който хората изграждат лични, професионални и бизнес отношения. В основата на това общество е обменът на информация, която се свежда до най-простите единици – битовете. Един бит може да бъде 0 или 1 и това обикновено се представя чрез две нива на напрежение в електронните схеми. Способността да се съхраняват и обработват битове се е превърнала в основа на цялата съвременна електроника, като прави възможни познати задачи като изпращане на писма, слушане на музика или сложни изчислителни симулации.

Оперативната (RAM) памет играе огромна роля за това, като осигурява временно съхранение и бърз достъп до данните.

През последните десетилетия физиката направи още една крачка напред и даде на науката нов вид информационна единица – кюбит. За разлика от класическия бит, който винаги е равен само на 0 или 1, кюбитът може да бъде в състояние на суперпозиция, т.е. да бъде едновременно и 0, и 1. Тази характеристика открива нови хоризонти в областта на изчислителната техника, въпреки че практическите приложения все още са на етап изследвания. Бъдещите квантови компютри и квантовият интернет ще изискват и квантови памети – устройства, способни да съхраняват кюбити и да ги издават при поискване. Все още обаче не съществува единно стандартно решение, което да е подходящо за всички.

Неотдавна изследователи от ICFO, ръководени от професор Юг де Ридматен, постигнаха важен пробив в тази област. Във Physical Review X те представиха система от 10 контролируеми клетки за квантова памет, в които кюбитите могат да се съхраняват в произволни комбинации и да се извличат при поискване. Това е разширение на тяхната по-ранна работа, публикувана в Quantum Information.

Учените са използвали два начина за кодиране на кюбити, които обикновено се използват във фотонните технологии: пространствен, при който състоянието се определя от това в коя клетка на паметта влиза фотон и времеви, при който кюбитът се задава от момента на пристигане на фотона. В своята конфигурация те са успели да съхранят фотони в множество времеви интервали във всяка клетка, което е уникална характеристика на подхода.

За да осъществят експеримента, те са използвали кристал, легиран с празеодим, охладен до температура от едва 3 келвина. В него е било възможно да се отделят 250 пространствени и времеви „слота“ за съхранение на фотони – световен рекорд за твърдотелно устройство с възможност за селективно извличане на данни. Този резултат е особено ценен, тъй като синхронизацията на квантовите мрежи изисква именно памет с достъп при поискване, а реализацията ѝ е изключително сложна.

В новата си работа учените използват акустооптични дефлектори, които им позволяват да насочват лазерни импулси и да контролират записването и четенето на кюбити в необходимите клетки на паметта.

Проверката показа, че устройството запазва първоначалното квантово състояние с достатъчно висока точност. Освен това изследователите са успели да съхраняват и извличат едновременно два кюбита, което доближава тяхната система до създаването на аналог на оперативната памет, но вече за квантови технологии.

Екипът предполага, че в бъдеще такива масиви от памет могат да се комбинират с източници на фотонни клъстерни състояния, формирайки големи заплетени системи за квантови изчисления. Друго приложение ще бъде разработването на квантови ретранслатори, които трябва да позволят на квантовия интернет да работи на големи разстояния. Новият подход дава възможност да се използват паралелно различни клетки памет, без да се чака „сигнал за успех“ и по този начин да се ускори процесът на разпределяне на заплитането между отдалечени възли.

Следващата цел на изследователите е да подобрят ефективността и времето за съхранение на кюбитите, както и да увеличат броя на клетките памет и да научат как директно да съхраняват заплетени състояния. Всичко това открива пътя към създаването на истинска квантова „RAM памет“, която може да промени радикално компютърните и комуникационните системи на бъдещето.