Атомный газ обменялся с кристаллом квантовыми состояниями

Атомный газ обменялся с кристаллом квантовыми состояниями

Испанские ученые впервые передали с помощью фотонов квантовые состояния между облаком холодных атомов рубидия-87 и кристаллом Pr3+:Y2SiO5. Статья опубликована в Nature.

Чтобы построить квантовую сеть, необходимо не только сохранять квантовые состояния в течение долгого времени, но и передавать их между узлами сети. Удобнее всего использовать для этого фотоны, поскольку их легко передать на большие расстояния. К тому же для этого можно использовать широко распространенные оптоволоконные сети. На данный момент ученым уже удалось передать состояния между атомными ансамблями, одиночными атомами, пойманными в ловушку, или квантовыми кристаллами.

Каждый из способов, использованных для сохранения квантовых состояний в этих экспериментах, имеет свои достоинства и недостатки. В то же время, в сложной квантовой системе хотелось бы использовать преимущества различных подходов. Ученые уже пытались построить гибридную сеть, например, связывая холодные облака ионов 9Be+ и 25Mg+. Однако во всех предыдущих экспериментах квантовые состояния передавались с помощью электрического взаимодействия или микроволновых фотонов, и расстояние передачи было сильно ограниченно. На этот раз физики связали квантовые системы принципиально различной природы с помощью фотонов, частота которых лежит в телекоммуникационном диапазоне (то есть наиболее удобна для оптоволоконной связи).

Экспериментальная установка разделялась на две части, соединенных десятиметровым оптическим кабелем. В одной ее части ученые удерживали в магнитооптической ловушке облако холодных ионов 87Rb. Время от времени исследователи светили на это облако лазером, и в результате в нем возникали спиновые волны, отвечающие некоторому долгоживущему квантовому состоянию. Спустя некоторое время облако излучало скоррелированные одиночные фотоны. Эти фотоны физики разделяли на два потока, один из которых регистрировали с помощью детектора D1, а другой направляли в специальное устройство (quantum frequency conversion device), которое изменяло длину волны частиц с 780 до 1552 нанометров. Затем фотоны направлялись в оптоволоконный кабель и попадали в другую часть установки, расположенную в соседней лаборатории.

Здесь фотоны снова меняли длину волны с 1552 до 606 нанометров и направлялись на кристалл ортосиликата иттрия Y2SiO5, легированный ионами  Pr3+ и охлажденный до температуры 3,5 Кельвинов. Для записи и хранения состояний в кристалле ученые использовали атомную частотную гребенку. Этот принцип использует световые волны, спектр которых имеет ярко выраженные линии поглощения, отстоящие друг от друга на равное расстояние (поэтому спектр напоминает гребенку, расческу). В данном случае ширина гребенки составила 400 мегагерц, а расстояние между зубьями – 400 килогерц (что отвечает линиям поглощения Pr3+). В результате фотоны сохранялись в такой системе в течение 2,5 микросекунд, а затем заново излучались. Наконец, полученные фотоны физики регистрировали с помощью детектора D2. 

Затем ученые проверили, связаны или нет фотоны, пойманные детекторами D1 и D2. Для этого они рассчитали функцию их взаимной корреляции для различных вероятностей возбуждения фотонов. Оказалось, что при вероятности около пяти процентов скоррелированность фотонов составила примерно gw,r(2) = 11,4 ± 2,4, что указывало на сохранение квантового состояния при передаче. При увеличении вероятности скоррелированность быстро падала до классического предела gw,r(2) = 2. Так или иначе, этот эксперимент показал, что квантовые состояния между кубитами разной природы передать можно.

Ранее физики уже получали запутанные фотоны с длинами волн, лежащими в телекоммуникационном диапазоне, лучше всего подходящим для передачи по существующим каналам связи. Также мы писали о том, как физики из Российского Квантового Центра построили и улучшили сеть для квантовых коммуникаций, работающую в городских условиях.

Дмитрий Трунин

N+1

Похожие новости:
Падающие атомы проверили закрученность пространства-времени
Физики из университетов Гуаньчжоу и Сунь Ятсена проверили универсальность гравитации по отношению к объектам, обладающим различным спином. С точностью вплоть до десятимиллионных долей авторам удалось показать, что свободное падение для атомов рубидия не зависит от их собственного момента импульса. Этот результат ..
2016-07-09 1322 0 Научные открытия
0
Обратимость времени помогла создать сверхточную «квантовую линейку»
Физики из Российского квантового центра, МФТИ, ФИАН и Института оптики (Париж) разработали методику получения особых запутанных многофотонных состояний. Как сообщает пресс-релиз РКЦ, поступивший в редакцию N+1, они могут найти применение для сверхточного измерения расстояний. При дистанциях в сотни ..
2016-06-21 1285 0 Научные открытия
0
Тяжелым солитонам отказали в праве на существование
Физики провели одну из крупнейших численный симуляций на суперкомпьютере и показали, что «тяжелые солитоны» увиденные ранее учеными из Массачусетского технологического института, на самом деле являются не солитонами, а «квантовыми аналогами дымных колец». Работа ученых из Вашингтонского университета опубликована в журнале ..
2014-02-05 1045 0 Научные открытия
0
Физики создали новую теорию времени
Физики предположили, что минимально возможный в физической Вселенной масштаб времени на несколько порядков больше планковского времени. Более того, существование такого масштаба меняет фундаментальные уравнения квантовой механики, а вместе с этим — и представления о природе времени. Авторы настаивают ..
2016-02-04 2535 0 Научные открытия
1
Физики нашли у кубита свойства тепловой машины
Кубиты, созданные на основе джозефсоновского контакта, можно рассматривать как квантовые тепловые машины. Ученые из Бразилии смогли показать, что такой подход позволяет управлять динамикой образования и нарушения когерентных связей между элементами квантово-компьютерной цепи. Работа опубликована в Physical ..
2017-10-09 8297 0 Научные открытия
0
«Зоопарк» квазичастиц пополнился квантовыми каплями
Германо-американская группа физиков обнаружила феномен, который можно описать с помощью нового типа квазичастиц, так называемых квантовых капель или дроплетонов (dropleton). Исследование опубликовано в Nature, кратко о его значении пишет Wired. Квантовые капли обнаружились в экспериментах физиков неожиданно — существование ..
2014-02-28 1329 0 Научные открытия
0
НАСА разглядит гравитационные волны
Команда исследователей из Центра космических полётов Годдарда, Стенфордского университета и компании AOSense недавно выиграла финансирование по программе НАСА Innovative Advanced Concepts (NIAC) на развитие технологий, связанных с атомной оптикой, или атомной интерферометрией. Некоторые полагают, что такие технологии ..
2012-10-23 1038 1 Научные открытия
0
Ученые научились передвигать макрообъекты с помощью света
Международная группа физиков продемонстрировала систему, в которой с помощью света управляла движением макрообъекта – 30-микронного стеклянного "пончика", используя квантово-механические законы микромира. Статья с результатами работы ученых опубликована в журнале Nature. Краткое ее изложение приводится в пресс-релизе ..
2012-02-8 1501 1 Научные открытия
0
Физики докажут возможность вечного движения
«Кристаллы времени» способны перевернуть теоретическую физику. В начале 2012 года нобелевский лауреат (2004), физик Франк Вилчек, осмелился выйти на публику с весьма странным предположением. Вилчек разработал и развил доказательство существования «кристаллов времени» — физических ..
2013-05-8 1244 0 Научные открытия
0
3 главных квантовых прорыва - 2013
Мы часто недооцениваем, насколько быстро внедряются в повседневную жизнь технологии, время которых пришло. Первый лазер заработал в лаборатории в 1960 году, а уже в 1969-м появился лазерный сканер штрихкодов. В 1993 году появился первый графический браузер Mosaic, а в 1996-м ..
2013-01-7 2831 0 Научные открытия
0
Учёные стремительно разрабатывают молекулярную память
Как известно, устройства для хранения данных используют либо магнитные, либо электронные ячейки памяти. Использование отдельных молекул в качестве ячеек памяти изменило бы всю картину в хранении данных, поскольку молекулярная память в тысячу раз уменьшает размер, сообщает «PC-News.info». То, что преподносится ..
2012-06-19 837 0 Научные открытия
0
Из бактерий и золота ученые создали материал будущего
Человечество пока не строит космические корабли, походящие на гигантские живые организмы, как в научной фантастике, но подобное уже, кажется, не за горами. Исследователи из Массачусетского технологического института разработали материал будущего - нечто, обладающее свойствами живых и неживых субстанций. Если коротко, инженеры ..
2014-05-05 2227 0 Научные открытия
0
Физики управляли квантовой симметрией двухслойного графена
Ученые из США, Канады и Японии наблюдали дробный квантовый эффект Холла в двухслойном графене и показали возможность управления свойствами такого материала действием электрического поля. Свое исследование авторы опубликовали в статье в журнале Science. Физикам удалось при помощи электрического ..
2014-07-04 1078 0 Научные открытия
0
Т-лучи побили рекорд скорости передачи информации
Инженерам удалось создать устройства, которые побили рекорд скорости передачи информации с использованием радиоизлучения терагерцового диапазона. Достигнутая скорость составила 3 гигабита в секунду на частоте 542 гигагерца. Работа, описывающая эксперимент, опубликована в журнале Electronics Letters, в кратком виде он описан на ..
2012-05-16 918 0 Научные открытия
0
Падение капли заняло учебный год
Британские физики представили более наглядную и быструю версию знаменитого эксперимента с падающей каплей битума, сообщается в журнале Physics Education. Сверхвязкая жидкость капает из пяти сосудов с различным диаметром горлышка. Самый долгий эксперимент в мире проходит с 1927 года ..
2014-07-02 1198 0 Научные открытия
0