Предложена эффективная многомодовая квантовая память на фотонном эхо и новые перспективные схемы ее реализации.

Отдел химической физики, лаборатория квантовой динамики и квантовой информатики.

Квантовая память составляет основу квантового повторителя (репитера), использование которого позволит создать разветвленные сети квантового интернета на расстояниях, превышающие сотни километров. Использование квантовой памяти также значительно расширит возможности построения квантового компьютера, способного работать с большим числом кубитов. Эти два обстоятельсва стимулируют разработки эффективной многокубитовой квантовой памяти. Большие надежды связываются с использованием предложенной нами [S.A. Moiseev, and S. Kroll. Phys. Rev. Let. 2001; S.A. Moiseev, and B.S. Ham. Phys. Rev. A., 2004] квантовой памяти на фотонном эхо. Так, в 2010 г. с ее помошью удалось поднять рекорд квантовой эффективности памяти до 69 % [M.P.Hedgeset.al., Nature (London) 465, 1052 (2010)] при использовании твердого тела в качестве носителя информации. В новом её варианте (AFC) были записаны 64 [I. Usmani, et.al., Nat. Commun. 1, 1 (2010)], а затем и 1060 временные моды [M. Bonarota, et.al., New J. of Physics (2011)] и продемонстрирована возможность сохранения широкополосных перепутанных состояний двухфотонных полей [C.Clausen, et.al.,Nature 469, 508 (2011), E. Saglamyurek, et.al., Nature 469, 512 (2011)].

В 2009-2010 гг. нами предложены новые перспективные схемы реализации квантовой памяти на фотонном эхо. При этом мы обнаружили, что использование рамановских переходов позволяет обобщить схемы реализации квантовой памяти на фотонном эхе, что открывает следующие новые свойства и возможности такой памяти: 1) прямой перенос квантовых состояний фотонов на долгоживущие атомные состояния; 2) возможность независимого изменения несущей частоты сигнального и считываемого световых полей; 3) сохранение большого числа фотонных кубитов; 4) возможность реализации в нанооптических схемах. Также мы продемонстрировали возможность использования данной памяти для эффективной компрессии и декомпрессии временной последовательности световых импульсов. Недавно экспериментально [M. Hosseini, et.al., Nat. Commun. 1, 1 (2011)] была досигнута ре-кордная квантовая эффективность 87 % в рамановской схеме памяти, а в работе [M. Hosseini et al., Nature 461, 241 (2009)] была подтверждена предсказанная нами возможность квантовой компрессии.

Рис. 1. Эффективность квантовой памяти QME для различного числа мод М в зависимости от Г_in/(γ₁+γ₂), определяемого отношением эффективной оптической плотности атомов и ширины линии моды резонатора.

В существующих вариантах квантовой памяти теоретически 100% эффективность достигается при использовании бесконечной оптической плотности, что невозможно в реальном эксперименте и непрактично при использовании в квантовом репитере. Для решения этой проблемы мы предложили многомодовую квантовую память на фотонном эхе в оптимальном оптическом резонаторе (см. рис.) и нашли два критических условия для ее реализации, позволяющие получить практически 100 % квантовую эффективность для многомодовых световых полей при использовании умеренных параметров системы резонансных атомов и эффективно интегрировать ее в цепь квантового компьютера.  

Публикации:

1. S.A. Moiseev, W. Tittel: Temporal compression of quantum information-carrying photons using a photon-echo quantum memory approach // Phys. Rev. A 82, 012309 (2010).
2. S.A. Moiseev, S.N. Andrianov, F.F. Gubaidullin: Efficient multi-mode quantum memory based on photon echo in optimal QED cavity // Phys. Rev. A 82, 022311 (2010).