Квантовая память работает при комнатной температуре

Новая установка обеспечивает работу квантовой памяти при комнатной температуре - до сих пор все подобные устройства функционировали при экстремально низких температурах.

(Работа принята к публикации в журнал Physical Review Letters, а коротко о ней пишет портал Physics World. )

Квантовая память используется для хранения информации при проведении квантовых вычислений. В отличие от обычных квантовые компьютеры оперируют так называемыми кубитами - квантовыми аналогами битов, которые могут принимать больше двух значений. Чтобы передавать кубиты на значительное расстояние, можно использовать, например, фотоны, которые относительно слабо взаимодействуют с окружающей средой.

Однако если фотоны совершают длительное путешествие в какой-либо среде, их состояние, в котором закодировано состояние кубита, может постепенно измениться. Чтобы избежать потерь информации, придуманы квантовые ретрансляторы, которые ловят угасающий сигнал, расшифровывают его и вновь испускают. Кратковременное хранение и повторное испускание фотона как раз и происходят в квантовой памяти.

Существующие до сих пор конструкции квантовой памяти предполагали работу при очень низких температурах. Кроме того, они были пригодны только для узкого интервала длин волн фотонов и удерживали их очень непродолжительное время.

Теперь создана квантовая память, которая работает при температуре около 17 градусов Цельсия. Основной компонент прибора - облако из атомов цезия. Чтобы сохранить в них информацию, закодированную в фотонах, воздействуют на атомы лазером. В итоге состояние кубита сохраняется в спинах электронов и ядер атомов цезия.

Чтобы извлечь информацию из атомов цезия, на них действуют лазером с другими характеристиками. В итоге генерируются фотоны, которые передаются к конечному пункту назначения.

Еще одно преимущество новой установки - пригодность для широкого диапазона длин волн.

Взломан квантовый код!

Впервые перехвачено сообщение, закодированное при помощи методов квантовой криптографии. Причем получатель не узнал, что код был перехвачен.

(Способ, которым взломан код, описан в статье журнале Nature Communications. Коротко о работе пишет портал Physics World. )

Для защиты передаваемых сообщений используется свойство квантовых систем изменяться при измерениях - если до измерения система находится в суперпозиции нескольких состояний, то после проведения измерения происходит так называемый коллапс волновой функции, и система оказывается в одном из состояний. Таким образом, если злоумышленник прочтет закодированное сообщение, то он неизбежно изменит его, и это изменение обнаружит получатель.

Одним из способов кодирования заключается в том, что код передается в виде фотонов различной поляризации. Отправитель Алиса передает код, все фотоны которого имеют ту или иную поляризацию, причем выбор состояний происходит случайным образом. При прочтении сообщения адресат Боб также случайным образом выбирает поляризатор. В случае выбора неправильного поляризатора результат измерения окажется неверным.

Правда, в некоторых случаях результаты измерений Боба будут верными, а в некоторых - нет. После того, как все измерения выполнены, Боб по открытому каналу отправляет Алисе информацию о том, как он считывал поляризацию в каждом случае, не сообщая собственно результатов измерения. Алиса тоже по открытому каналу отвечает Бобу, в каких случаях он ошибся. Отбросив результаты неправильных измерений, Боб получит данные о последовательности фотонов, закодированных Алисой - эта переданная Бобу секретная информация получила название первичный ключ.

Чтобы проверить, не был ли взломан код, Алиса и Боб по открытому каналу сравнивают значения некоторых измерений. Если Ева перехватила часть посланных Алисой, то результаты по крайней мере части этих измерений будут неверными.

Предложен, однако, и осуществлен способ обойти этот барьер.

Слабым местом системы является детектор, при помощи которого Боб считывает поляризацию фотонов. Если ослепить его лазером (то есть насытить фотонами до некоторого критического значения), квантовый приемник теряет способность различать отдельные кванты и начинает работать как классический прибор.

Перехватывая каждый посланный Алисой фотон, Ева (шпион) измеряет его поляризацию и посылает на детектор Боба луч света, интенсивность которого достаточно велика, причем поляризация фотонов в этом “шпионском” луче совпадает с поляризацией перехваченногошпионом фотона.

В итоге при сверке Алиса и Боб не находят признаков взлома.

Используя созданную схему, удалось перехватить закодированные сообщения, передаваемые по внутренней сети Национального университета Сингапура.

Теперь разрабатывается система защиты сообщений от подобного метода перехвата.

Создан первый твердый квантовый процессор

Cоздан первый твердый квантовый процессор. Предыдущие модели представляли собой, например, ионы, размещенные в магнитных ловушках, в то время как новая модель напоминает существующие полупроводниковые микрочипы.

(Об этом сообщает

Nature News, а статья исследователей появилась в журнале Nature.)

Устройство состоит из двух кубитов - квантовых аналогов бита, способных находиться не только в состоянии нуль или один, но и в их суперпозиции. Работа кубитов, разделенных зазором, контролировалась при помощи источника микроволнового излучения.

В исследовании использовались кубиты, которые представляют собой небольшие кусочки сверхпроводника, состоящего из тонкой пленки ниобия, нанесенной на пластину из оксида алюминия с щелью. Кодирование состояний подобного устройства осуществляется распределением так называемых куперовских пар - квазичастиц, состоящих из двух электронов. Функционируют подобные кубиты при температуре чуть выше абсолютного нуля (минус 273,15 градуса по Цельсию).

В рамках работы исследователи использовали пару кубитов, чтобы реализовать решения некоторых теоретических задач. Первое из них - алгоритм Гровера для поиска в неупорядоченной базе данных. Этот вероятностный (как и все квантовые) алгоритм ищет элемент в базе данных из

N записей за kN0.5 шагов, где k - некоторая константа. Примерно в 80 процентах случаев поиск оказывался успешным.

Кроме этого исследователи запускали на квантовом процессоре алгоритм Дойче-Джоза. Это теоретический алгоритм, который по данной последовательности нулей и единиц четной длины отвечает на вопрос: верно ли, что все значения в наборе нули, единицы или нулей и единиц одинаковое количество. При этом заранее известным полагается, что последовательность имеет один из трех данных видов. Этот алгоритм выдает ответ всего за один шаг, в то время как классический алгоритм требует 2

n - 1 + 1 шагов, где n - длина последовательности.

К сожалению, устройство требует сложной системы охлаждения и использует всего два кубита, поэтому не может считаться полноценным квантовым компьютером.

Новый способ телепортации света

Речь идет о квантовой телепортации целого светового луча.

(Статья с подробным изложением технологии появилась в журнале PhysicalReview Letters, краткое изложение - на сайте PhysOrg.com. )

Квантовой телепортацией называется перемещение квантового состояния объекта. При этом, в отличие от телепортации в научно-фантастических фильмах, для реализации этой технологии необходим классический канал связи между передатчиком и приемником (то есть о "мгновенном" перемещении речи не идет).

Традиционными объектами для телепортации являются фотоны, атомы и ионы (совсем недавно физики смогли телепортировать ионы иттербия на метр).

В 2006 году японские и британские ученые почти добились "перемещения" лазерного луча - полученный после телепортации объект отличался от оригинала, по словам ученых, "менее чем наполовину". В рамках новой работы физики из Австралии, Новой Зеландии и Катара смогли предложить теоретическую схему для точной телепортации света.

Предполагается использовать луч, который представляет собой поток равномерно удаленных друг от друга фотонов. Луч предполагается "сжатым", то есть неопределенность некоторых характеристик фотонов (обусловленная знаменитым принципом неопределенности Гейзенберга) искусственно уменьшена (при этом, разумеется, увеличивается неопределенность других "неинтересных" характеристик).

Исследователи утверждают, что при достаточной степени сжатия можно особым образом телепортировать фотоны луча, воспроизводя квантовое состояние исходного объекта. При этом физики подчеркивают, что состояния отдельных фотонов не описывают полностью состояние всего луча, поэтому в данном случае речь идет больше, чем о телепортации отдельных фотонов.

Однако на пути практической реализации этой схемы имеется несколько препятствий.

Для телепортации необходим очень высококачественный источник сжатого света. А существующие приборы не обеспечивают нужного сжатия, однако необходимый уровень теоретически достижим.

Если опыты подтвердят теорию, то специалисты смогут телепортировать, например, целые изображения.