Хранение квантовой информации — ключевая задача для развития квантовых вычислений и создания глобального квантового интернета, поскольку современные системы квантовой связи страдают от потери сигнала на больших расстояниях. Решением этой проблемы являются квантовые памяти, которые, действуя как ретрансляторы, позволяют информации «перепрыгивать» через сеть. В новом исследовании, опубликованном в журнале Light: Science & Applications, представлен значительный прорыв в этой области — новый тип квантовой памяти на основе 3D-нанопечатных структур, так называемых «световых клеток».
Эта платформа, созданная учёными из Берлинского университета имени Гумбольдта, Института фотонных технологий имени Лейбница и Штутгартского университета, объединяет свет и атомы на одном кремниевом чипе. «Световые клетки» представляют собой полые волноводы, которые эффективно удерживают свет, но при этом имеют открытую структуру. Это их главное преимущество перед обычными полыми оптическими волокнами, которые могут заполняться атомными парами цезия месяцами.
Использование цезия в таких экспериментах не случайно. Этот элемент, особенно его изотоп цезий-133, обладает стабильными и точно определёнными энергетическими переходами. В квантовой памяти он ценится за способность эффективно взаимодействовать с фотонами и обеспечивать длительные времена когерентности, что критически важно для хранения квантовой информации.
Благодаря открытой конструкции атомы цезия диффундируют в сердцевину «клетки» всего за несколько дней, не ухудшая оптических свойств. Структуры изготавливаются методом двухфотонной литографии на коммерческих 3D-принтерах с высочайшей точностью. Для защиты от химической реакции с цезием волноводы покрывают специальным слоем, что обеспечивает долговечность: тесты не выявили деградации даже после пяти лет эксплуатации.
Внутри «клетки» входящие световые импульсы преобразуются в коллективные возбуждения окружающих атомов. Через заданное время управляющий лазер обращает этот процесс, высвобождая сохранённый свет. В ходе экспериментов учёным удалось сохранить очень слабые импульсы, содержащие всего несколько фотонов, на несколько сотен наносекунд. В перспективе этот подход позволит хранить одиночные фотоны в течение многих миллисекунд.
Важным достижением стала интеграция нескольких ячеек памяти на одном чипе внутри кюветы с парами цезия. Измерения показали, что разные «клетки» с идентичным дизайном демонстрируют почти одинаковую производительность. Такая воспроизводимость, где вариации на одном чипе составляют менее 2 нанометров, а между чипами — менее 15 нм, критически важна для масштабирования и техники пространственного мультиплексирования. Этот метод, предполагающий одновременное использование нескольких пространственных каналов, может резко увеличить количество работающих вместе квантовых ячеек памяти и повысить пропускную способность в будущих квантовых сетях.
Платформа выделяется своей практичностью: она работает при температуре чуть выше комнатной, не требуя сложного криогенного охлаждения или ловушек для атомов. Это упрощает развёртывание системы, обеспечивает высокую пропускную способность и открывает чёткий путь к крупномасштабной интеграции на фотонном чипе. Гибкий процесс изготовления позволяет совмещать эту технологию с прямым волоконным соединением и существующими фотонными компонентами, что делает «световые клетки» перспективным кандидатом для инфраструктуры будущей квантовой связи.
Источник: Tiny 3D-printed light cages could unlock the quantum internet