Учёные создали квантовую память на основе 3D-напечатанных «световых клеток»

Исследователи из Германии представили новый тип квантовой памяти, который может стать ключевым элементом будущего квантового интернета и квантовых компьютеров. Технология основана на 3D-напечатанных на чипе полых волноводах, так называемых «световых клетках» (light cages), заполненных парами цезия.

Художественное представление полых световых клеток, направляющих свет через свои ядра в атмосфере цезия. Уникальный боковой доступ к их сердцевине обеспечивает быструю диффузию атомов цезия при отличном удержании оптического поля. Авторы: Esteban Gómez-López et al.

Квантовая память необходима для создания квантовых повторителей, которые решают проблему потерь сигнала на больших расстояниях. Новая разработка объединяет свет и атомы на одном чипе, что обеспечивает масштабируемость и простую интеграцию в фотонные системы.

В отличие от традиционных полых волокон, которые могут заполняться атомным паром месяцами, открытая структура световых клеток позволяет цезию диффундировать в сердцевину всего за несколько дней. Структуры изготавливаются методом двухфотонной полимеризационной литографии с помощью коммерческих 3D-принтеров, что обеспечивает высочайшую точность. Для защиты от химической реакции с цезием волноводы покрываются специальным слоем. Тесты показали отсутствие деградации даже после пяти лет работы.

Мы создали направляющую структуру, которая позволяет быстро диффундировать газам и жидкостям внутри своего ядра, с универсальностью и воспроизводимостью, обеспечиваемой процессом 3D-нанопечати. Это обеспечивает истинную масштабируемость платформы, — пояснила исследовательская группа.

Внутри клеток световые импульсы преобразуются в коллективные возбуждения окружающих атомов. После заданного времени хранения управляющий лазер обращает процесс, и свет высвобождается. В эксперименте учёные успешно сохранили очень слабые световые импульсы, содержащие всего несколько фотонов, на несколько сотен наносекунд. Предполагается, что метод можно расширить для хранения одиночных фотонов на многие миллисекунды.

Важным достижением стала интеграция нескольких ячеек памяти на одном чипе внутри цезиевой ячейки. Измерения показали, что разные световые клетки с одинаковым дизайном демонстрируют почти идентичные характеристики хранения. Воспроизводимость обеспечивается точностью 3D-печати: вариации внутри одного чипа составляют менее 2 нанометров, а между разными чипами — менее 15 нанометров. Такой контроль критически важен для пространственного мультиплексирования, которое может резко увеличить количество квантовых ячеек памяти на одном устройстве.

Новая память работает при температурах чуть выше комнатной, не требуя криогенного охлаждения или сложных ловушек для атомов. Это упрощает развёртывание системы и предлагает более высокую пропускную способность на мод памяти. Возможность производить множество идентичных ячеек на одном чипе открывает путь к крупномасштабной квантовой фотонной интеграции.