Квантовая память на спинах: Новый импульс от сжатого микроволнового излучения

от

Автор: Денис Аветисян

Исследователи успешно передали сжатые микроволновые сигналы в гибридную спин-резонаторную систему, открывая новые перспективы для создания эффективной квантовой памяти и защищенной связи.

🧐

Купил акции по совету друга? А друг уже продал. Здесь мы учимся думать своей головой и читать отчётность, а не слушать советы.

Бесплатный телеграм-канал
В ходе исследования взаимодействия микроволнового сигнала с гибридной спин-резонаторной системой обнаружено, что при увеличении мощности накачки, соответствующей резонансу спин-резонаторного гибрида, уровень сжатия сигнала снижается ниже вакуумного уровня ($S>0$), что подтверждается теоретической моделью, основанной на уравнении $Eq.4$ и параметрах эффективного взаимодействия ($g_{eff}$, $\kappa_{ext}$, $\kappa_{int}$, $\gamma_s$), при этом предварительная насыщение спинового резонанса мощным микроволновым импульсом приводит к увеличению уровня сжатия, приближая результаты к эталонному эксперименту.
В ходе исследования взаимодействия микроволнового сигнала с гибридной спин-резонаторной системой обнаружено, что при увеличении мощности накачки, соответствующей резонансу спин-резонаторного гибрида, уровень сжатия сигнала снижается ниже вакуумного уровня ($S>0$), что подтверждается теоретической моделью, основанной на уравнении $Eq.4$ и параметрах эффективного взаимодействия ($g_{eff}$, $\kappa_{ext}$, $\kappa_{int}$, $\gamma_s$), при этом предварительная насыщение спинового резонанса мощным микроволновым импульсом приводит к увеличению уровня сжатия, приближая результаты к эталонному эксперименту.

В работе продемонстрирована передача сжатого микроволнового излучения в ансамбль электронных спинов с эффективностью 61%, что является важным шагом к реализации перспективных квантовых технологий.

Эффективное хранение и передача квантовой информации остается сложной задачей в развитии квантовых технологий. В работе, посвященной исследованию ‘Probing an electron spin ensemble with squeezed microwave signals’, экспериментально изучено взаимодействие сжатых микроволновых сигналов с ансамблем электронных спинов. Установлена эффективность переноса квантового состояния около 61% между сжатыми микроволнами и спиновым возбуждением в гибридной спин-резонаторной системе. Могут ли подобные исследования стать основой для создания надежных квантовых запоминающих устройств и новых протоколов квантовой связи?

Квантовые сети: Между Революцией и Техническим Долгом

Квантовые сети обещают революционные возможности в области безопасной связи и вычислений, однако передача информации на значительные расстояния сталкивается с фундаментальной проблемой — затуханием сигнала. В отличие от классических сигналов, которые можно усилить без потери информации, квантовые состояния чрезвычайно чувствительны к любым воздействиям окружающей среды. Любая попытка усиления квантового сигнала неизбежно приводит к разрушению хрупкой квантовой информации, что делает невозможным прямую передачу на большие расстояния. Эта проблема требует разработки принципиально новых подходов к передаче квантовой информации, таких как квантовые повторители, которые способны восстанавливать и передавать квантовые состояния, преодолевая ограничения, связанные с затуханием сигнала. Разработка эффективных квантовых сетей, способных обеспечить безопасную и высокоскоростную передачу квантовой информации, напрямую зависит от решения этой ключевой проблемы затухания сигнала.

В традиционных системах связи, для компенсации потерь сигнала на больших расстояниях, используется усиление. Однако, в квантовой связи, подобный подход невозможен, так как усиление неизбежно разрушает хрупкое квантовое состояние, несущее информацию. Для преодоления этой фундаментальной проблемы необходимы квантовые повторители — устройства, способные восстанавливать квантовый сигнал без его измерения и, следовательно, без нарушения его состояния. Ключевым элементом квантового повторителя является квантовая память, способная надежно хранить квантовую информацию в течение времени, необходимого для синхронизации и передачи сигнала на следующий узел сети. Реализация эффективной квантовой памяти представляет собой серьезную технологическую задачу, требующую платформ с длительным временем когерентности и высокой эффективностью взаимодействия с микроволновыми сигналами, что является предметом активных исследований в области квантовой физики и инженерии.

Для создания работоспособной квантовой памяти требуется найти платформы, обладающие длительным временем когерентности и эффективным взаимодействием с микроволновыми сигналами. Время когерентности, определяющее период, в течение которого квантовая информация сохраняется, является критическим параметром: чем оно дольше, тем сложнее квантовые вычисления и передачи данных. Эффективное связывание с микроволновыми сигналами необходимо для эффективного управления квантовыми битами и передачи квантовой информации между узлами сети. Исследования в этой области фокусируются на различных материалах, включая дефекты в кристаллах, сверхпроводящие схемы и ионы в ловушках, стремясь оптимизировать эти параметры и преодолеть технические трудности, стоящие на пути создания масштабируемых квантовых сетей. Успех в разработке таких платформ откроет новые возможности в области квантовых вычислений, криптографии и сенсорики.

Экспериментальная установка включает в себя генератор сжатого вакуума, соединенный посредством криогенных коаксиальных кабелей и циркулятора с системой спин-резонатора, что позволяет исследовать взаимодействие сжатого вакуума со спиновыми возбуждениями в различных режимах резонанса и проводить вигнер-томографию микроволновых сигналов.
Экспериментальная установка включает в себя генератор сжатого вакуума, соединенный посредством криогенных коаксиальных кабелей и циркулятора с системой спин-резонатора, что позволяет исследовать взаимодействие сжатого вакуума со спиновыми возбуждениями в различных режимах резонанса и проводить вигнер-томографию микроволновых сигналов.

Спиновые Ансамбли: Твердотельный Путь к Квантовой Памяти

Твердотельные спиновые ансамбли, в особенности использующие атомы фосфора в изотопно обогащенном кремнии-28 ($^{28}$Si), демонстрируют перспективные когерентные свойства, необходимые для реализации квантовой памяти. Использование изотопно чистого кремния-28 существенно снижает влияние ядерного спина кремния на когерентность спинов фосфора, увеличивая время когерентности до нескольких миллисекунд. Плотность спинов, определяемая концентрацией атомов фосфора, может быть точно контролируема в процессе легирования, обеспечивая возможность масштабирования квантовых устройств. Такие ансамбли представляют собой привлекательную альтернативу отдельным квантовым битам, поскольку позволяют хранить и обрабатывать информацию коллективно, повышая устойчивость к декогеренции и упрощая архитектуру квантовых вычислений.

Для эффективного управления и считывания спиновых состояний ансамблей, необходимо их сильное взаимодействие с микроволновыми резонаторами, формирующими гибридную структуру “Спин-Резонатор”. Такое взаимодействие обеспечивает усиление сигнала и когерентность спиновых состояний, что критически важно для реализации квантовой памяти и других квантовых устройств. В данной архитектуре резонатор служит для усиления и фокусировки микроволнового поля, необходимого для управления спинами, а также для эффективного считывания их состояния посредством измерения изменения характеристик резонатора. Достижение сильной связи требует оптимизации геометрии и параметров как спинового ансамбля, так и резонатора, включая их взаимное расположение и частотные характеристики.

Гибридная архитектура, использующая взаимодействие спинов с резонатором, опирается на гипертонное взаимодействие Ферми для обеспечения когерентного управления электронными спинами. Данное взаимодействие, возникающее из-за поляризации электронов вблизи ядра, напрямую связывает магнитный момент электрона с ядерным спином. Интенсивность этого взаимодействия пропорциональна плотности вероятности нахождения электрона вблизи ядра, что делает его эффективным механизмом для передачи когерентных сигналов между электронными и ядерными спинами. Использование этого взаимодействия позволяет осуществлять точное и контролируемое манипулирование спиновыми состояниями, необходимое для реализации квантовой памяти и других квантовых устройств. $H_{FC} = A \cdot \mathbf{I} \cdot \mathbf{S}$ — уравнение описывает гипертонное взаимодействие, где $A$ — константа, $\mathbf{I}$ — оператор спина ядра, а $\mathbf{S}$ — оператор спина электрона.

Экспериментально измеренные и теоретически смоделированные спектры отраженного микроволнового сигнала подтверждают соответствие модели (уравнение 7) характеристикам гибридной системы спин-резонатор, как в резонансном (синяя линия), так и в нерезонансном (красная линия) режимах.
Экспериментально измеренные и теоретически смоделированные спектры отраженного микроволнового сигнала подтверждают соответствие модели (уравнение 7) характеристикам гибридной системы спин-резонатор, как в резонансном (синяя линия), так и в нерезонансном (красная линия) режимах.

Выжатый Свет: Усиление с Сохранением Квантовой Информации

Традиционные методы усиления сигналов неизбежно вносят шум, который быстро превосходит полезный квантовый сигнал, делая его обнаружение невозможным. Это связано с тем, что любой усилитель, в соответствии с классической физикой, усиливает как сигнал, так и собственные шумы. Для преодоления этого ограничения и сохранения квантовой информации необходим принципиально иной подход — использование выжатых (squeezed) микроволновых сигналов. Выжатие позволяет перераспределить квантовые флуктуации между квадратурами сигнала, уменьшая шум в одной из них за счет увеличения в другой, при этом сохраняя общую энергию. Такое перераспределение позволяет снизить уровень шума ниже стандартного квантового предела, обеспечивая возможность обнаружения слабых квантовых сигналов.

Параметрические усилители Джозефсона (ПЯД), в частности, ПЯД с управлением потоком, соединенный с резонантором копланарной волноводной линии, генерируют выжатые состояния. Достигнутый уровень выжимания составляет до 5.3 дБ ниже вакуумного уровня, что означает уменьшение квантовых флуктуаций в определенной квадратуре электромагнитного поля. Этот процесс основан на нелинейном отклике сверхпроводящего Джозефсоновского перехода, управляемого внешним магнитным потоком, что позволяет преобразовать квантовый шум в сигнал и наоборот, эффективно снижая шум в измеряемом канале. Уровень выжимания измеряется в децибелах (дБ) и характеризует степень подавления квантовых флуктуаций относительно вакуумного состояния.

Для повышения эффективности извлечения сигнала и минимизации шума в схемах усиления сжатого света используются циркуляторы и криогенные усилители. Циркуляторы направляют сигнал к следующему каскаду усиления, предотвращая отражение и, следовательно, снижение отношения сигнал/шум. Криогенные усилители, работающие при сверхнизких температурах, значительно уменьшают тепловой шум, что критически важно для детектирования слабых квантовых сигналов. Чувствительное детектирование осуществляется посредством гетеродиного детектирования, которое позволяет преобразовывать высокочастотный сигнал в низкочастотный, удобный для обработки и анализа, с сохранением информации о фазе и амплитуде исходного сигнала.

Экспериментальная характеристика JPA-сжимателя показала зависимость отраженного микроволнового сигнала и невырожденного усиления от постоянного тока и мощности накачки, демонстрируя уровень сжатия до 5.29±0.09 дБ при частоте 5.645 ГГц и соответствующее увеличение чистоты сигнала.
Экспериментальная характеристика JPA-сжимателя показала зависимость отраженного микроволнового сигнала и невырожденного усиления от постоянного тока и мощности накачки, демонстрируя уровень сжатия до 5.29±0.09 дБ при частоте 5.645 ГГц и соответствующее увеличение чистоты сигнала.

Характеристика Производительности Квантовой Памяти

Для калибровки и оптимизации цепочки усиления использовались методы электронной парамагнитной резонанса (ЭПР) и планк-спектроскопии. ЭПР применялась для точной настройки рабочих частот и мощности микроволнового излучения, обеспечивая резонансное возбуждение спинов и максимизируя сигнал. Планк-спектроскопия, в свою очередь, позволила определить температурные характеристики системы и оптимизировать условия накачки для достижения максимальной эффективности усиления. Комбинация этих методов обеспечила стабильную и предсказуемую работу цепочки усиления, что является критически важным для надежного считывания и манипулирования квантовым состоянием спинового ансамбля.

Измерения времени когерентности, выполненные методами Ганна эха и восстановления инверсии, подтверждают сохранение квантовой информации в исследуемой системе. Полученные значения составляют $T_2$ = 2.16 мс, характеризующее время дефазировки, и $T_1$ = 85.49 с, определяющее время релаксации. Эти показатели свидетельствуют о возможности длительного хранения квантовой информации, поскольку они характеризуют период, в течение которого квантовое состояние остается когерентным и пригодным для дальнейших операций.

Восстановление квантового состояния спинового ансамбля осуществлялось посредством вигнер-томографии. Обработка полученных данных выполнялась в реальном времени с использованием FPGA (Field-Programmable Gate Array), что позволило эффективно реконструировать плотность квантового состояния и подтвердить успешность считывания и манипулирования спиновым ансамблем. Использование FPGA обеспечило необходимую скорость обработки для анализа данных вигнер-томографии и верификации квантовых операций, демонстрируя возможность эффективной реализации протоколов квантовой памяти.

Измерения показали, что времена когерентности ансамбля Si:P, определенные с помощью стандартных импульсных последовательностей эха Хана и восстановления инверсии, составляют T2 и T1 соответственно.
Измерения показали, что времена когерентности ансамбля Si:P, определенные с помощью стандартных импульсных последовательностей эха Хана и восстановления инверсии, составляют T2 и T1 соответственно.

Квантовый Интернет: Взгляд в Будущее

Данное исследование представляет собой фундаментальный шаг на пути к созданию квантовой сети связи и распределенным квантовым вычислениям. Разработанные технологии позволяют значительно увеличить дальность передачи квантовой информации, преодолевая ограничения, связанные с затуханием сигнала и декогеренцией кубитов. Ключевым аспектом является возможность надежного хранения квантовых состояний, что необходимо для реализации квантовых ретрансляторов и построения сложных квантовых протоколов. Это открывает перспективы для создания абсолютно защищенных каналов связи, основанных на принципах квантовой криптографии, а также для совместной обработки данных на удаленных квантовых компьютерах, что значительно расширит вычислительные возможности и позволит решать задачи, недоступные для классических систем. Развитие данной технологии является необходимой предпосылкой для полноценной реализации концепции квантового интернета и перехода к новым парадигмам в области информационных технологий.

Разработка эффективных и надёжных квантовых запоминающих устройств открывает новые перспективы для создания защищённых сетей квантового распределения ключей (QKD). В отличие от классической криптографии, уязвимой к вычислительным атакам, QKD использует законы квантовой механики для гарантированной безопасности передачи ключей шифрования. Надёжное хранение квантовой информации — кубитов — в квантовых память является критически важным для преодоления потерь сигнала на больших расстояниях и реализации повторителей квантовых сигналов. Эти повторители, основанные на квантовых память, позволяют расширить зону охвата QKD-сетей, обеспечивая безопасную связь между удалёнными узлами и создавая инфраструктуру для абсолютно защищённой передачи данных, недоступную для взлома даже с использованием самых мощных компьютеров будущего. Именно развитие подобных технологий приближает возможность построения глобальной, квантово-защищённой коммуникационной сети.

В настоящее время усилия исследователей направлены на увеличение масштаба квантовых запоминающих устройств и их интеграцию в полноценную квантовую сеть. Ключевая задача заключается в создании модульных систем, позволяющих объединять множество отдельных квантовых ячеек памяти, сохраняя при этом когерентность квантовых состояний. Перспективные направления включают разработку новых материалов с улучшенными характеристиками хранения, а также создание протоколов для эффективной передачи и обработки квантовой информации между различными узлами сети. Успешная реализация этих технологий позволит создать инфраструктуру для распределенных квантовых вычислений и абсолютно безопасной квантовой криптографии, открывая новые горизонты в области коммуникаций и информационных технологий.

Численное моделирование показывает, что максимальная эффективность передачи квантового состояния достигается при когерентности, равной единице, и зависит от внешних и внутренних скоростей связи, а также скорости дефазировки спина и спин-резонаторного взаимодействия.
Численное моделирование показывает, что максимальная эффективность передачи квантового состояния достигается при когерентности, равной единице, и зависит от внешних и внутренних скоростей связи, а также скорости дефазировки спина и спин-резонаторного взаимодействия.

Исследование, посвящённое передаче сжатых микроволновых сигналов в гибридную спин-резонаторную систему, закономерно вызывает скепсис. Заявленная эффективность передачи в 61% — это, конечно, впечатляет, пока кто-нибудь не найдёт способ её воспроизвести в реальных условиях, да ещё и с учётом неизбежных потерь. Как говорил Эрвин Шрёдингер: «Невозможно определить, что такое реальность, пока кто-нибудь не попытается её измерить». В данном случае, измерение реальности квантовой памяти неизбежно столкнётся с проблемами декогеренции и шума. Ведь любая «самовосстанавливающаяся» система, рано или поздно, сломается. И документация к ней, скорее всего, будет содержать противоречия. Впрочем, если баг воспроизводится — это признак стабильности, не так ли?

Куда Ведет Эта Дорога?

Достижение 61% эффективности передачи выжатого микроволнового сигнала в гибридную спин-резонаторную систему, безусловно, добавляет ещё один пункт в длинный список «достижений», которые рано или поздно превратятся в технический долг. Попытки создать «идеальную» квантовую память неизбежно столкнутся с реальностью несовершенства материалов, дрейфом параметров и неизбежным шумом, который всегда найдёт способ свести на нет самые изящные теоретические построения. Вопрос не в том, чтобы «улучшить» передачу, а в том, чтобы понять, насколько вообще возможно создать стабильную, масштабируемую систему, не превратившись в заложников экспоненциально растущей сложности.

Очевидным следующим шагом является попытка увеличения когерентности спинового ансамбля и минимизации потерь в резонаторе. Однако, история учит, что каждое улучшение порождает новые ограничения. Возможно, более продуктивным направлением будет не погоня за «чистотой» сигнала, а разработка методов коррекции ошибок и адаптации к шуму. В конце концов, нам не нужно больше микросервисов — нам нужно меньше иллюзий относительно их надежности.

Перспективы применения в квантовом ключевом распределении, безусловно, привлекательны, но стоит помнить, что безопасность любой системы определяется её самым слабым звеном. И это слабое звено, как правило, находится не в области квантовой физики, а в области человеческой небрежности и уязвимостей протокола. В конечном итоге, каждое «революционное» решение потребует ещё больше усилий для обеспечения его практической жизнеспособности.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2512.17490.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2025-12-23 04:03