Souhrn
Výzkumníci z Humboldtovy univerzity v Berlíně, Leibnizova ústavu fotonických technologií a Stuttgartske univerzity vyvinuli kvantovou paměť integrovanou na čip, která používá 3D nanotisknuté struktury nazvané „světelné klece“. Tyto dutinové struktury zachycují světlo v jádru naplněném atomovým párem cesia a umožňují rychlou difúzi atomů díky bočnímu přístupu. Výsledek publikovaný v časopise Light: Science & Applications přináší platformu pro vícenásobné paměti na jednom čipu s konzistentním výkonem.
Klíčové body
- Světelné klece se vyrábějí 3D nanoprintem s extrémní přesností a naplňují se cesiovými atomy během dnů, nikoliv měsíců.
- Boční přístup k jádru zajišťuje rychlou difúzi atomů při zachování optické konfine světla.
- Na jednom čipu lze umístit více nezávislých pamětí s téměř identickým chováním.
- Slouží jako základ pro kvantové repeatery v síti kvantového internetu.
- Podporuje ukládání kvantové informace pro komunikaci a výpočty na dlouhé vzdálenosti.
Podrobnosti
Kvantové paměti jsou klíčové pro překonání ztráty signálu v optických vláknech, která omezuje přenos kvantové informace na stovky kilometrů. Tradiční systémy kvantové komunikace selhávají na delších trasách kvůli útlumu fotonů, což brání vytvoření globální sítě. Nové řešení spočívá v miniaturizaci: světelné klece jsou dutinové nanostruktury vytvořené dvoufotonovou lithografií, která dosahuje rozlišení pod 100 nm. Tyto klece vedou světlo skrz jádro, kde interaguje s atomy cesia v parovém stavu.
Boční design je zásadní – na rozdíl od standardních optických rezonátorů umožňuje rychlou infiltraci atomů bez nutnosti složitých vakových systémů. Naplnění trvá dny, protože atomy difundují přímo do jádra při pokojové teplotě. Experimenty prokázaly, že jednotlivé klece dosahují vysoké optické konfine, což zvyšuje interakci světla s atomy a efektivitu ukládání kvantových stavů. Na čipu o velikosti milimetrů lze integrovat desítky takových struktur, které fungují paralelně bez vzájemného rušení. To eliminuje variabilitu typickou pro ručně sestavované systémy.
Výzkumníci testovali paměti na zachycení a uvolnění fotonů nesoucích kvantovou informaci, což simuluje funkci repeateru. Kvantový repeater rozděluje dlouhou trasu na segmenty, kde se entanglement vyměňuje mezi paměťmi, čímž se obnovuje signál bez měření. Tato platforma je kompatibilní s existujícími fotonickými čipy a umožňuje integraci s laserovými zdroji entanglementu nebo detektory.
Proč je to důležité
Tento vývoj řeší hlavní překážky škálovatelnosti kvantových sítí: pomalou výrobu a nízkou reprodukovatelnost. Dnešní kvantové paměti na bázi studených atomů nebo pevných látek vyžadují měsíce na přípravu a trpí variacemi mezi jednotkami. Zde je doba přípravy zkrácena na dny a variance minimalizovány, což umožňuje masovou produkci. Pro kvantový internet znamená to reálnou cestu k repeaterům schopným pokrýt kontinenty, kde by entanglement swapping probíhal na čipech s tisíci kanály.
V kontextu kvantového výpočtu slouží paměti k dočasnému uložení qubitů během distribuce entanglementu mezi uzly. To urychlí hybridní systémy spojující kvantové procesory s klasickými sítěmi. I když zatím nejde o plný quantum advantage, tento building block posouvá technologii blíže k praktickým nasazením, jako jsou bezpečné klíče v kvantové kryptografii nebo distribuované kvantové výpočty. Oproti předchozím pokusům (např. rezonátory na bázi silikonu) nabízí vyšší hustotu a rychlost, což může stimulovat komerční zájem od firem jako IBM nebo Google v kvantové oblasti.
Zdroj: 📰 Science Daily
