Pamięć fotonowa kamieniem milowym technologii kwantowej
Zjawiska kwantowe zachodzą w skali atomowej i cząstek subatomowych. Nasze ich zrozumienie dało początek ekscytującym nowym możliwościom w takich dziedzinach, jak technologia kwantowa i obliczenia kwantowe. Rozwiązania te mogą całkowicie odmienić ludzkie społeczeństwo. Być może pewnego dnia komputery kwantowe będą w stanie w zaledwie kilka sekund rozwiązać problemy, których obliczenie zwykłemu sprzętowi zajęłoby miliardy lat.
Błyskotliwe pomysły
Fotoniczne technologie kwantowe to te, w których światło odgrywa kluczową rolę. „Światło jest jednym z nielicznych mediów, w których możemy obserwować zjawiska kwantowe w normalnych warunkach”, wyjaśnia koordynator projektu BRiiGHT Ian Walmsley, profesor fizyki eksperymentalnej na Imperial College London (Zjednoczone Królestwo). „To czyni je idealnym medium do zastosowań kwantowych”. Fotoniczne technologie kwantowe mają ogromny potencjał, by sprawdzić się w zastosowaniach, takich jak bezpieczna komunikacja czy łączenie węzłów komputera kwantowego. „Zasadniczo jest możliwe zbudowanie procesora kwantowego całkowicie ze światła”, zauważa Walmsley. „Obecnie kilka firm i grup badawczych próbuje osiągnąć ten cel”. Jednak skalowanie niektórych technologii kwantowych wymaga pamięci kwantowej, która mogłaby przechowywać światło i uwalniać je na żądanie. Do tej pory kluczowym problemem była zawodność źródeł fotonów. Powstające w nich cząstki nie zawsze miały odpowiednią jakość, czasami też pojawiały się w nieodpowiednich momentach. Takie niedoskonałości stały na drodze wprowadzaniu fotonicznych technologii kwantowych do obliczeń i komunikacji. Projekt BRiiGHT, wspierany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych, starał się znaleźć rozwiązanie tego problemu. W jego ramach powstała solidna jednostka magazynująca światło, która będzie w stanie dostarczyć na żądanie fotony. Umożliwiłoby to przechowywanie fotonów, a następnie ich jednoczesne uwalnianie do sieci. „Głównym aspektem było zbudowanie pamięci kwantowej o odpowiednim poziomie wydajności i wystarczająco niskim poziomie szumów”, mówi Walmsley. „Szumy uniemożliwiają prowadzenie operacji na poziomie kwantowym”. Gdy udało się osiągnąć ten cel, Walmsley i jego zespół skupili się na poprawie jakości źródła światła. „Udało nam się wykazać, że można »dostroić« pamięć tak, aby nadawała się do różnych zastosowań”, dodaje. „Może synchronizować sieci, służyć za filtr w celu poprawy jakości fotonów lub ostatecznie być stacją przekaźnikową umożliwiającą komunikację kwantową na dużych odległościach”.
Przechowywanie fotonów
Dostęp do fotonów na żądanie jest jednym z założeń fotonicznych obliczeń kwantowych. Projekt BRiiGHT, dzięki imponującym postępom w zakresie opracowywania pamięci kwantowej, odegrał kluczową rolę w tym względzie. „Kilka poważnych problemów technicznych nadal wymaga rozwiązania”, zauważa Walmsley. „Uważamy jednak, że pamięć jest na tyle prosta, że powielenie jej w niezliczonych kopiach, co w przypadku prowadzenia obliczeń kwantowych będzie niezbędne, wydaje się wykonalne”. Kwantowe pamięci fotoniczne mogą się także sprawdzić w komputerach kwantowych opartych na sieci oraz w zastosowaniach z protokołami wymagającymi dostępu do sieci kwantowej. Walmsley jest przekonany, że zostaną one ostatecznie wykorzystane w sieciach komunikacji kwantowej. „Chociaż poziom szumów, przepustowość i wydajność pamięci są odpowiednie dla niektórych aplikacji, nadal musimy poprawić pewne aspekty związane z wydajnością pamięci”, wyjaśnia. „Chodzi przede wszystkim o możliwość długotrwałego przechowywania danych. To pozwoliłoby zastosować pamięć szerzej, także we wzmacniaczach kwantowych”. Technologia ta jest obecnie dostępna na licencji. „Byłoby wspaniale zobaczyć, jak nasz projekt działa ostatecznie jako składnik komercyjnego systemu do obliczeń kwantowych lub innych tego typu”, mówi Walmsley.
Słowa kluczowe
BRiiGHT, kwantowe, obliczenia, fotony, atomy, subatomowy, fotoniczny
