Toatemperatuuril töötav kvantmälu

Inglismaa füüsikud leiutasid footonipõhise toatemperatuuril töötava kvantmälu. Läbimurre võib aidata valmistada kvantvahevõimendi (quantum repeater device), mis võimaldaks pidada kvantinformatsiooni kaugsidet.

Footonitega andmeedastuse eeliseks on tõsiasi, et footonid võivad läbida pikki vahemaid astumata seejuures ainega vastastikmõjusse. Vähene interaktsioon keskkonnaga võimaldab kvantbittidel ehk kvibititel (quibit – tõlkija keelend) jääda teiste omasugustega paardunud olekusse, mis on andmeedastuses äärmiselt oluline. Kvantandmesidel on palju rakendusi, näiteks krüptograafias.

Keskkonnas hajudes footoni kvantolek siiski ajapikku muutub. Näiteks läbides sadu kilomeetreid optilist kaablit oleks vajalik kasutada vahevõimendit, mis nõrgenenud signaali tugevdaks. Kvantvahevõimendi  loeb saadud andmed, talletab need hetkeks ja saadab siis värskena teele. ”Nii võib kvibitite paardunud olekut säilitada suhteliselt kaugemate vahemaade läbimisel,” lisab üks idee autoritest, Oksfordi ülikooli teadlane, Lan Walmsley.

Keeruline parandada

Footoneid talletav ja edastav kvantmälu on võimendi olulisim osis. Senivalmistatud kvantvahevõimendid töötavad madalatel temperatuuridel ja rõhkudel. Lisaks on puudusteks kitsas kasutatavate footonite energiaspekter ja andmetalletuse lühike kestvus. Walmsley arvates pole taoliste kohmakate süsteemide laiahaardeline kasutamine mõistlik, sest ookeani põhjas kulgevate andmekaablite ja krüoseadmete parandamine on keeruline.

Tulevikus valmistatavad kvantvahevõimendid peaksid olema suutelised andmeid talletama oluliselt kauem kui saabunud signaali pikkus. Võimendis kasutatavate footonite energiaspektri laiendamine on omaette eesmärk. Lai spekter võimaldab suurendada võimendi mälu mahtu. Pikk hoiuaeg aga koguda signaali võimendamiseks vajalikke sarnaste kvantolekutega footoneid.

Eesmärgi poole püüeldes muutis Walmsley koos töörühmaga tseesiumi aatomite pilve kvantmäluks, mille töötemperatuur on 62 °C. Vastupidiselt eelnenud kvantmäludele ei pea Walmsley valmistatud mällu püütavad ja talletatavad footonid olema häälestatud sagedusele, mida tseesiumi aur neelduma soostuks. Uudse lähenemisena muudab infrapunalaseri pulss infofootoni “spinn-laineks” (spin wave), mis haaratakse vastavalt tseesiumi elektroni ja tuuma spinnolekutele.

Must värv

Wamsley võrdleb tseesiumi aatomite pilve läbipaistva klaasplaadiga. Laserimpulss värvib klaasi mingi osa “mustaks”, mis seetõttu neelab pealelangeva valguse. Must plekk aknaklaasil kiirgaks pealelangeva kiirguse soojusena, infrapunalaseriga märgistatud kvantmälus seevastu pealelangenud footonid talletatakse.

Ligi 4 mikrosekundit pärast footoni haaret muudab järjestikune laserpulss spinn-laine tagasi footoniks ja tseesiumipilve valgusele läbipaistvaks. Uurijate sõnul peaks olema võimalik praegust 30% valguse neeldumise efektiivsust laserimpulsside tugevuse muutmisega tõsta. Footonite hoiustusaega saaks parandada parema varjestusega väliste magnetväljade vastu, mis tseesiumi aatomite spinne häirivad.

Heisenbergi määramatuseprintsiibi (loe siit) tõttu ei oma ülilühikesed footonimpulsid kindlat energiat, mille tõttu on vajalik, et talletatav spekter oleks lai. Töörühma liikme Ben Buchleri sõnul praegustel kõrge efektiivsusega mäludel pole veel laia salvestamise spektrit.

Müra ei ole probleem

Taustamüra ja tseesiumi pilves tekitatud liigsed footonid  põhjustavad toatemperatuursetele mäludele lisaprobleeme, kuid absoluutsel nulltemperatuuri piirkonnas müra lakkab. Oxfordi Ülikooli katses kasutatud footonite energiad on aga tseesiumipilve loomulikest neeldumisenergiatest kõrgemad, mistõttu on müratundlikkus väike isegi toatemperatuuril.

Hispaania IPSB (Institute of Photonic Sciences in Barcelona) Instituudi teadlane Hugues de Riedmatteni väitel näitasid Oxfordi teadlased, et nende katses esinev müra on katse seadistusest sõltumatu. Edasisel müra vähendamise luhtumisel on Riedmatteni sõnul andmeedastus suurtes võrgustikes vähetõenäoline. “Sellest hoolimata on tegemist suure saavutusega,” lisab ta.

Allikas: PhysicsWorld