02.06.2019 aktualizacja 03.06.2019 Karolina Duszczyk

Zapisać światło w rekordowo pojemnej pamięci

Nad urządzeniem, które zapamięta światło i przechowa je w kwantowej pamięci, pracuje zespół naukowców z Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego. Tzw. wielomodowa pamięć kwantowa oparta o zimne atomy rubidu może przydać się m.in. w bezpiecznej komunikacji.

W badaniach w Laboratorium Pamięci Kwantowych prowadzonych przez dr hab. Wojciecha Wasilewskiego od samego początku bierze udział dr Michał Parniak - badacz wyróżniony przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej w tegorocznej edycji programu stypendialnego START.

„Zaczęliśmy od konstrukcji układu doświadczalnego, pozwalającego na otrzymanie jednej z najdłuższych chmur zimnych atomów na świecie. Taki układ umożliwia otrzymanie dużej gęstości optycznej, która bezpośrednio przekłada się na wydajność pamięci” - mówi dr Parniak.

Stypendysta FNP wyjaśnia, że chłodzenie laserowe powstrzymuje nadmierny ruch atomów, który normalnie prowadzi do utraty zapisanej informacji kwantowej. Rubid jest metalem, ale po podgrzaniu paruje. W tym gazie atomów można zapisać światło. Jednak dla uzyskania dokładności na poziomie pojedynczych fotonów gaz należy ochłodzić. Atomy są chłodzone przez wiązki laserowe do bardzo niskiej temperatury: 20 milionowych stopnia powyżej zera absolutnego.

UJARZMIĆ POJEDYNCZE FOTONY

Kolejnym etapem prac w laboratorium były próby kontroli pojedynczych fotonów zapisanych w chmurze atomów, czyli w pamięci kwantowej. „Dzięki kamerze czułej na pojedyncze fotony udało nam się zaobserwować emisje fotonów z chmury pod wieloma różnymi kątami jednocześnie. Ta cecha właśnie czyni naszą pamięć wielomodową, pozwalając na przechowywanie i generowanie wielu fotonów jednocześnie” - mówi naukowiec.

Badacze postanowili dokonać manipulacji przechowywanych fotonów. W tej rekordowo pojemnej pamięci przybierają one formę tak zwanych fal spinowych. Jak podkreśla dr Parniak, umiejętność manipulacji falami spinowymi stanowi ważny most pomiędzy różnymi podejściami do informatyki kwantowej. Procesory kwantowe oparte o układy nadprzewodzące rozwijają się prężnie (np. IBM), lecz trudności przysparza przesyłanie qubitów między nimi. Z drugiej strony naukowcy umieją przesyłać pojedyncze fotony na duże odległości, lecz trudne jest ich przetwarzanie.

„Nasz procesor fal spinowych, w którym do tej pory udało nam się pokazać interferencję pomiędzy dwoma pojedynczymi falami, może pozwolić rozwiązać te problemy, gdyż umiemy już łatwo przetwarzać fale spinowe na fotony i odwrotnie” - zapewnia wyróżniony laureat stypendium START.

Dr Parniak zaznacza, że stworzenie takiego urządzenia, w którym można byłoby zapisać światło to wielkie wyzwanie dla fizyki kwantowej. Wśród zastosowań, jakie można sobie wyobrazić, jest wykorzystanie „złapanego” fotonu do zabezpieczania danych. Informacji, w których 1-kwantowy bit byłby zapisany w jednym fotonie, nie można by było podejrzeć bez wiedzy uczestników komunikacji. Nikt nie mógłby bowiem podsłuchać tylko części komunikatu, sygnał po prostu przestałby być odbierany.

Dr Parniak przebywa na stażu w Kopenhadze, pracował w Dolinie Krzemowej i w Hongkongu. Fizyk podkreśla znaczenie współpracy naukowej z grupami chińskimi, które pracują nad rozwiązaniem podobnych problemów.

PAP – Nauka w Polsce, Karolina Duszczyk