Uzyskano pierwszą w historii pamięć kwantową dla promieni rentgenowskich

Naukowcy opracowali przełomową pamięć kwantową dla promieni rentgenowskich, umożliwiającą wydłużenie czasu zapamiętywania i torującą drogę zaawansowanym zastosowaniom optyki kwantowej, w tym foton splątanie przy energiach rentgenowskich.

Światło służy jako wyjątkowy nośnik informacji, odgrywając kluczową rolę nie tylko w tradycyjnych technologiach komunikacyjnych, ale także w nowych zastosowaniach kwantowych, takich jak sieci kwantowe i informatyka. Jednakże przetwarzanie sygnałów świetlnych jest znacznie bardziej złożone niż obsługa standardowych sygnałów elektronicznych.

Międzynarodowy zespół badaczy, w tym dr Olga Kocharowska, wybitna profesor na Wydziale Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Texas A&M, zademonstrował nowatorski sposób przechowywania i uwalniania impulsów promieniowania rentgenowskiego na poziomie pojedynczego fotonu — koncepcję zaproponowaną po raz pierwszy w wcześniejsze prace teoretyczne grupy Kocharowskiej — które mogą mieć zastosowanie w przyszłych rentgenowskich technologiach kwantowych.

Prace zespołu, kierowanego przez profesora Instytutu Helmholtza w Jenie, dr Ralfa Röhlsbergera, przeprowadzono przy użyciu źródeł synchrotronowych PETRA III w niemieckim Synchronie Elektronowym (DESY) w Hamburgu i Europejskiego Ośrodka Promieniowania Synchrotronowego we Francji, zaowocowały pierwszą realizacją pamięci kwantowej w zakresie twardego promieniowania rentgenowskiego. Wyniki ich badań zostały opublikowane w czasopiśmie Postęp nauki.

Funkcja i wyzwania pamięci kwantowej

„Pamięć kwantowa jest nieodzownym elementem sieci kwantowej, zapewniającym przechowywanie i wyszukiwanie informacji kwantowej” – powiedziała Kocharowska, członkini Instytutu Nauki i Inżynierii Kwantowej Texas A&M. „Fotony są szybkimi i solidnymi nośnikami informacji kwantowej, ale trudno jest je utrzymać nieruchomo, na wypadek gdyby informacja ta była potrzebna później. Wygodnym sposobem na osiągnięcie tego jest wdrukowanie tej informacji w quasi-stacjonarny ośrodek w postaci polaryzacji lub fali spinowej o długim czasie koherencji i uwolnienie jej z powrotem poprzez reemisję oryginalnych fotonów.

Kocharowska twierdzi, że opracowano kilka protokołów pamięci kwantowych, ale ograniczają się one do fotonów optycznych i zespołów atomowych. Dodaje, że wykorzystanie zespołów jądrowych, a nie atomowych, zapewnia znacznie dłuższe czasy pamięci, które można osiągnąć nawet przy wysokich gęstościach półprzewodników i temperaturze pokojowej. Te dłuższe czasy pamięci wynikają bezpośrednio z mniejszej wrażliwości przejść jądrowych na zaburzenia ze strony pól zewnętrznych, ze względu na małe rozmiary jąder. W połączeniu ze ścisłym skupieniem fotonów o wysokiej częstotliwości, takie podejście może doprowadzić do opracowania długowiecznych, szerokopasmowych, kompaktowych, półprzewodnikowych pamięci kwantowych.

Opracowanie nowego protokołu rentgenowskiego/jądrowego

„Bezpośrednie rozszerzenie protokołów optycznych/atomowych na protokoły rentgenowskie/jądrowe okazuje się trudne lub niemożliwe” – wyjaśnia dr Xiwen Zhang, badacz ze stopniem doktora w grupie Kocharowskiej, który brał udział w eksperymencie i był współautorem artykułu zespołu. „Dlatego w naszej wcześniejszej pracy zasugerowano nowy protokół”.

Według Zhanga idea nowego protokołu zespołu jest bardzo prosta, przynajmniej pod względem podstaw kwantowych. Zasadniczo zestaw ruchomych absorberów jądrowych tworzy grzebień częstotliwości w widmie absorpcji z powodu przesunięcia częstotliwości Dopplera spowodowanego ruchem. Krótki impuls o widmie pasującym do grzebienia pochłoniętego przez taki zestaw celów jądrowych zostanie ponownie wyemitowany z opóźnieniem określonym przez odwrotne przesunięcie Dopplera w wyniku konstruktywnej interferencji pomiędzy różnymi składowymi widma.

„Pomysł ten został pomyślnie zrealizowany w naszym obecnym eksperymencie obejmującym jeden stacjonarny i sześć synchronicznie poruszających się absorberów, które utworzyły siedmiozębny grzebień częstotliwości” – dodał Zhang.

Zhang twierdzi, że czas życia spójności jądrowej jest czynnikiem ograniczającym określającym maksymalny czas przechowywania tego typu pamięci kwantowej. Na przykład użycie izomerów o dłuższej żywotności niż izotop żelaza 57, który zespół wybrał do bieżących badań, skutkowałoby dłuższym czasem pamięci.

Niezależnie od tego zauważa, że ​​praca na poziomie pojedynczego fotonu bez utraty informacji kwalifikuje protokół grzebienia częstotliwości jądrowej jako pamięć kwantową, która jest pierwszą w przypadku energii promieniowania rentgenowskiego. Kolejne kroki zaplanowane przez zespół obejmują uwalnianie na żądanie przechowywanych pakietów fal fotonowych, co może prowadzić do uświadomienia sobie splątania pomiędzy różnymi fotonami twardego promieniowania rentgenowskiego — głównego źródła kwantowego przetwarzania informacji. Badania zespołu podkreślają także potencjał rozszerzenia optycznych technologii kwantowych na krótki zakres fal, który jest z natury mniej „zakłócony” ze względu na uśrednianie fluktuacji dużej liczby oscylacji o wysokiej częstotliwości.

Kocharowska twierdzi, że trudne możliwości są intrygujące i że ona i jej współpracownicy nie mogą się doczekać dalszego odkrywania potencjału ich przestrajalnej, solidnej i wysoce wszechstronnej platformy, która w najbliższej przyszłości umożliwi postęp w dziedzinie optyki kwantowej w energiach rentgenowskich.

Odniesienie: „Nuklearna pamięć kwantowa dla pakietów twardych fal fotonów rentgenowskich” autorstwa Svena Veltena, Larsa Bocklage, Xiwen Zhanga, Kai Schlage, Anjali Panchwanee, Sakshatha Sadashivaiaha, Ilyi Sergeeva, Olafa Leupolda, Aleksandra I. Chumakowa, Olgi Kocharowskiej i Röhlsbergera , 26 czerwca 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.adn9825

Badanie zostało sfinansowane przez Deutsche Forschungsgemeinschaft, DESY i amerykańską Narodową Fundację Nauki.