Диссертация (1150447), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Для протоколов EIT на данный момент достигнута эффективность 78% [60, 61] при времени хранения вплоть до 1 минуты. В работах [62, 63] было показано,что схемы комбинационного рассеяния работают с эффективностью до 30% . Память с использованием атомного частотного комба (AFC) в резонаторе показала эффективность до 56% [64](время хранения 1 мс ), а схема градиентной эхо-памяти (GEM) показала 87% -ный отклик втеплых парах [65] и 69% в твердом теле [66] при времени хранения 10 мкс. Однако, нередкоприведенные значения эффективностей являются апостериорными, т.е. подкорректированы сучетом знаний о свете и материальной системе, используемых в эксперименте.Стоит заметить, что высокая эффективность является необходимым, но недостаточным критерием положительной оценки работы квантовой памяти. Можно восстановить число фотонов,но при этом потерять важные характеристики исходного излучения, такие как, например, субпуассоновская статистика.Время храненияВремя хранения является одним из главных критериев работы квантовой памяти.
В зависимости от задач, которые ставятся перед конкретным приложением, использующим протокол кван20товой памяти, условия на реальные времена хранения будут разными. В протоколах квантовых повторителей, например, требуемое время хранения определяется временем распределенияперепутанности на заданное расстояние и для эффективной работы на больших расстоянияхнеобходимо обеспечить время хранения как минимум несколько секунд [64] . Однако очевидно,что для любого протокола время хранения должно значительно превышать время записи исчитывания из ячейки памяти.В телекоммуникационных протоколах время хранения обязано быть не меньше времениобразования корреляций между системами получателя и отправителя, а в приложениях, связанных с квантовыми вычислениями, не меньше времени самих вычислений [5].
В некоторыхпротоколах квантовой памяти время хранения можно рассматривать неограниенно долгим притеоретическом анализе, однако в реальной физической системе из-за процессов декогеренцииэто время всегда конечно. Поэтому непрерывная борьба за увеличение этого времени идет восновном в экспериментальных работах, связанных с теми или иными реализациями протоколов квантовой памяти. Все схемы квантовой памяти чрезвычайно чувствительны к влияниюокружающей среды. Процессы декогеренции, вызванные как внешними, так и внутреннимифакторами (например, при дефазирующих и тушащих столкновениях отдельных атомов в ансамблевых моделях) существенно ограничивают среднюю продолжительность хранения информации.Например, передача квантовых состяний на расстояние 1000км занимает не менее 5мс, чтоозначает необходимость схемы квантовой памяти поддерживать рабочий режим как минимумтакое время. На данный момент экспериментальной реализации протоколов квантовой памятина атомных ансамблях время хранение превысило 100мкс [4], что уже перекрывает возможностиволоконно-оптических линий задержек и резонаторов.В 2008 году группа исследователей в эксперименте [67] достигла продолжительности жизниквантовой памяти длительностью 6мс, рекордной на тот момент.
Для реализации схемы памятиисследователи использовали ансамбль атомов Rb87 , охлажденных практически до абсолютногонуля для того, чтобы минимизировать движение атомов. Несмотря на то, что атомы охлажденыпочти до нуля, они тем не менее могут совершать некоторые случайные движения. Посколькукаждый из атомов хранит часть квантовой информации, полезность сохраняемых данных ввысокой степени зависит от относительного расположения каждого из атомов по отношению21к остальным в группе. Это означает, что определенное движение атомов может разрушить записанную информацию. Для увеличения времени жизни памяти исследователи использовалиследующий подход: группа атомов была заключена в решетку из лазерных лучей.
При фиксированной частоте излучения, каждый из атомов был «привязан» к определенному месту врешетке и его случайные движения не играли серьезной роли.Борьба с механизмами релаксации, уменьшающими время хранения, ведется и посредствомспециальных антирелаксационных покрытий для внутренних стенок ячеек, содержащих атомы щелочных металлов. Изначалально для этих целей использовались покрытия на основепредельных углеводородов из-за их высокой химической инертности по отношению к химически активным атомам.
Однако позже было продемонстрировано, что в результате химическоговзаимодействия атомов щелочного металла с непредельным углеводородом (алкеновые покрытия) получается инертный продукт реакции с превосходными антирелаксационными свойствами [68, 69]. Т.е. вместо химически инертных веществ стоит, наоборот, переходить к использованию химически активных веществ, поскольку результатом взаимодействия становится ещеболее инертное по отношению к атомам вещество, чем предельный углеводород.В 2013 году для протоколов EIT время хранения удалось увеличить уже до 1 минуты [60,61].Полученные значения для времени, в течение которого квантовая информация может бытьсохранена, имеют сильный разброс и в зависимости от выбранного протокола.
Так в работе[70] представлена экспериментальная работа, посвященная квантовой резонаторной памяти сдостигнутым временем хранения 3.2мс при высоком показателе эффективности (73%). А дляквантовой памяти (рамановский протокол) для терагерцового диапазона, реализованного накристалле алмаза, время хранения составило всего 1.3пс [71].Стоит также отметить, что борьба за увеличение времени хранения идет независимо отпопыток повысить эффективность, поэтому нередко большие времена хранения заявлены впроцессах с чрезвычайно низкой эффективностью. Так, к примеру, в работе [72] для протоколаAFC указано время хранения 5.6мкс при ожидаемой полной эффективности процесса 4.2%. Анаилучшее достигнутое время хранения [61] действительно составляет 1 минуту, однако эффективность при этом меньше 10%.Важным параметром является отношение времени хранения к длительности записываемогосигнала: для квантовых вычислений длительность импульса предполагается равной длитель-22ности одной операции, и тогда указанное отношение показывает сколько операций может бытьсовершено за время хранения.
В одном и том же эксперименте [65] при длительности записываемого импульса 2мкс и времени хранения 3.7мкс эффективность составила 87%, а приувеличении времени хранения до 9мкс упала ниже 30%.МногомодовостьМногомодовость или модовая емкость квантовой памяти определяется количеством оптических мод, которые могут храниться в ячейке памяти с эффективностью выше необходимогопорогового значения (50%), и является одним из важнейших параметров для практическогоприменения памяти. Первые работы, касающиеся квантовой памяти, подразумевали работуисключительно в одномодовом режиме. Однако свет, который предполагается использовать вквантовых протоколах, сам по себе может обладать некоторым (и иногда значительным) количеством независимых мод, каждая из которых обладает уникальной квантовой статистикой(например, сжата).
Использование световых сигналов со многими квантовыми степенями свободы, т.е. многомодовых, является одним из возможных путей повышения емкости памяти.Поэтому по мере развивития областей квантовой оптики, связанных с квантовыми коммуникациями и квантовыми вычислениями, стала очевидной важность разработки и оптимизациипротоколов многомодовой квантовой памяти.В протоколе квантового повторителя время, затрачиваемое на установление перепутанностимежду двумя удаленными узлами, ограничено временем, которое фотоны проходят до станцииизмерения, а также временем, которое необходимо, чтобы передать результат измерения каждому узлу. Если в каждой такой попытке участвует только один фотон (одна мода поля), топосле каждого неудачного измерения Белла необходимо перевести ячейки памяти в начальноесостояние и повторить попытку.
Использование ячеек многомодовой памяти в совокупности смногомодовым источником фотонов позволит за один акт измерения обрабатывать набор из Nмод, что в N раз повышает вероятность положительного исхода и, соответственно, уменьшаетвремя установления перепутанности в такое же количество раз.Для того, чтобы эффективно реализовать квантовый параллелизм, необходимо иметь возможность управлять как можно большим количеством мод света, максимально использоватьего квантовые степени свободы. Cхемы многомодовой квантовой памяти способны значительноувеличить информационную емкость каналов – количество информации, переданное в единицу23времени.Многомодовость может быть пространственной, временной или частотной (широкополосность). Из всех способов реализации многомодовой памяти наиболее перспективно выглядятпротоколы, использующие комбинированную многомодовость.В качестве примеров пространственно многомодовых протоколов можно привести схемыквантовой памяти для оптических изображений, предложенные И.В.Соколовым и соавторами, реализующие хранение информации на основе квантового неразрушающего взаимодействия [73, 74] и на основе взаимодействия рамановского типа [45].
Эти схемы названы авторами квантовыми голограммами, из-за наличия в них двумерного поперечного распределенияколлективной спиновой поляризации. Число пространственных мод в них ограничено числомФренеля. Сохранение нескольких продольных мод, как правило, затруднено, и обычно удаетсясохранить одну продольную моду, выделенную оптическими свойствами среды.Широкополосность схемы определяется ее временным режимом. Поэтому для квантовойпамяти на основе эффекта EIT, который наблюдается только в стационарном состоянии, многомодовости по времени заведомо нет. Зато протоколы памяти на основе атомного частотногокомба (AFC) и контролируемого обратимого неоднородного уширения (CRIB) изначально предполагают возможность многомодовой реализации [40].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
