Появился новый претендент на звание квантовой памяти будущего

Новая разработка специалистов из немецкого Института физики света Общества Макса Планка претендует на звание квантовой памяти будущего. Кроме того, немецким ученым удалось при помощи микроскопии и спектроскопии высокого разрешения впервые исследовать отдельные ионы редкоземельных элементов в кристалле.

При помощи необычного лазера и микроскопического исследования  ученые установили позицию трёхзарядных положительных атомов празеодима внутри ортосиликата иттрия с точностью до нескольких нанометров, а также исследовали их слабое взаимодействие со светом.

Оптические свойства квантовых систем являются их основой. В связи с этим внимание многих ученых сегодня сосредоточено на таких системах, как светоизлучающие дефекты кристалла в алмазе или на полупроводниковых квантовых точках.  Несмотря на это, подобрать идеальное хранилище квантовой информации до сих пор не удавалось.

Ведущий автор исследования Вахид Сандогдар отмечает, что «некоторые из источников света теряют яркость или мерцают неконтролируемым образом. Другие же сильно зависят от окружающей среды, в которую они встроены».

Ионы редкоземельных элементов, таких как неодим или эрбий, таких проблем не имеют и выступают в качестве основы лазерных технологий. Однако получать такие элементы до сих пор было не просто.

В результате шестилетних исследований команде ученых под руководством  Сандогдара удалось создать отдельные ионы празеодима, а также  измерить их оптические свойства с беспрецедентной точностью.

Авторы исследования встроили трёхзарядные положительные ионы в крошечные микрокристаллы и нанокристаллы ортосиликата иттрия. Отметим, что их энергии варьируются слабо в зависимости от положения в кристалле – они реагируют на излучение немного различающихся частот. Это свойство позволило физикам с помощью лазера возбудить отдельные ионы в кристаллах, а также увидеть, как они через некоторое время излучают энергию в виде света.

Так как на ионы редкоземельных элементов не сильно влияют тепловые и акустические колебания в кристалле, некоторые из их энергетических состояний оказывались необычайно стабильными. Проходит больше минуты, прежде чем они переходят обратно в своё основное состояние, а это в миллион раз дольше, чем большинство других квантовых систем, исследуемых сегодня.

– Вахид Сандогдар, ведущий автор исследования

Работать с такой системой намного легче, поскольку такие сигналы проще поймать. В настоящее время индивидуальные ионы испускают менее ста фотонов в секунду. В связи с этим авторы исследования намерены в будущем использовать наноантенны и микрорезонаторы для усиления сигнала празеодима в сто или тысячу раз. И когда эта цель будет достигнута, ученые определят, может ли такая система претендовать на звание квантовой или нет.