Международная команда исследователей, включая доктора Ольгу Кочаровскую, заслуженного профессора факультета физики и астрономии Техасского университета A&M, продемонстрировала новый способ хранения и высвобождения рентгеновских импульсов на уровне одиночных фотонов - концепцию, впервые предложенную в более ранней теоретической работе группы Кочаровской, - который позволяет это может быть применимо к будущим рентгеновским квантовым технологиям.

Работа команды, возглавляемой профессором Йенского института Гельмгольца доктором Ральфом Рель-Бергером и выполненной с использованием синхротронных источников PETRA III в немецком электронном синхротоне (DESY) в Гамбурге и Европейском центре синхротронного излучения во Франции, привела к первой реализации квантовой памяти в жестком рентгеновском диапазоне. Их результаты опубликованы в журнале Научные достижения.

"Квантовая память является незаменимым элементом квантовой сети, обеспечивающим хранение и извлечение квантовой информации", - говорит Кочаровская, сотрудник Техасского института квантовой науки и инженерии A&M. "Фотоны являются быстрыми и надежными носителями квантовой информации, но их трудно удерживать в неподвижном состоянии на случай, если эта информация понадобится позже. Удобный способ сделать это - запечатлеть эту информацию в квазистационарной среде в виде поляризационной или спиновой волны с длительным временем когерентности и вернуть ее обратно посредством переизлучения исходных фотонов."

Кочаровская говорит, что было разработано несколько протоколов для квантовой памяти, но они ограничены оптическими фотонами и атомными ансамблями. Использование ядерных, а не атомных ансамблей, добавляет она, обеспечивает гораздо более длительное время хранения, достижимое даже при высокой плотности твердого тела и комнатной температуре. Такое длительное время хранения является прямым результатом меньшей чувствительности ядерных переходов к возмущениям со стороны внешних полей из-за небольших размеров ядер. В сочетании с жесткой фокусировкой высокочастотных фотонов такие подходы могут привести к созданию долгоживущих широкополосных компактных твердотельных квантовых запоминающих устройств.

"Прямое распространение оптических/атомных методов на рентгеновские/ядерные оказывается сложным или невозможным", - объясняет доктор Сивен Чжан, научный сотрудник группы Кочаровской, которая участвовала в эксперименте и была соавтором статьи команды. "Таким образом, в нашей предыдущей работе был предложен новый протокол".

По словам Чжана, идея, лежащая в основе нового протокола, очень проста, по крайней мере, с точки зрения квантовых основ. По сути, набор движущихся ядерных поглотителей формирует частотную гребенку в спектре поглощения из-за доплеровского сдвига частоты, вызванного движением. Короткий импульс со спектром, соответствующим гребенке, поглощенной таким набором ядерных мишеней, будет повторно излучен с задержкой, определяемой обратным доплеровским сдвигом в результате конструктивной интерференции между различными спектральными составляющими.

"Эта идея была успешно реализована в нашем текущем эксперименте с использованием одного стационарного и шести синхронно движущихся поглотителей, которые образовали семизубчатую частотную гребенку", - добавил Чжан.

Чжан говорит, что время жизни ядерной когерентности является ограничивающим фактором, определяющим максимальное время хранения для этого типа квантовой памяти. Например, использование более долгоживущих изомеров, чем изотоп железа-57, который команда выбрала для своего текущего исследования, привело бы к увеличению времени работы памяти.

Несмотря на это, он отмечает, что работа на однофотонном уровне без потери информации позволяет квалифицировать протокол nuclear frequency comb как квантовую память, которая является первой в области рентгеновских излучений. Следующие шаги, запланированные командой, включают в себя высвобождение сохраненных волновых пакетов фотонов по требованию, что может привести к осознанию запутанности между различными жесткими рентгеновскими фотонами - основным ресурсом для обработки квантовой информации. Исследование команды также подчеркивает потенциал распространения оптических квантовых технологий на коротковолновый диапазон, который по своей сути является менее "зашумленным" из-за усреднения флуктуаций по большому числу высокочастотных колебаний.

Кочаровская говорит, что открывающиеся возможности интригуют, и что она и ее сотрудники с нетерпением ожидают продолжения изучения потенциала своей настраиваемой, надежной и универсальной платформы для продвижения области квантовой оптики в области рентгеновских излучений в ближайшем будущем.