Физики больше двадцати лет бьются над квантовой памятью — технологией, которая умеет сохранять световые частицы (фотоны) в материи, а потом извлекать их без потерь. Проблема в том, что свет быстро «портится», и удержать его в стабильном состоянии надолго — задача не из простых.

В последние годы редкоземельные элементы, охлажденные до сверхнизких температур, показали себя как перспективные кандидаты для такой памяти. Ученые из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне обнаружили, что кристалл NaEu (IO₃)₄ с высокой концентрацией европия может стать отличной основой для хранения квантовой информации. Их исследование опубликовано в издании Physical Review Letters.

Обычную память (например, в телефоне) можно копировать и хранить сколько угодно. Но с квантовыми битами такой фокус не пройдет.

Если я отправляю кому-то  квантовый бит, я не могу оставить его копию у себя, — объясняет Элизабет Голдшмидт, профессор физики и соавтор работы. — Отправил — и все, он ушел. Если потеряется по дороге, восстановить не получится.

Чтобы обойти эту проблему, ученые используют европий — редкоземельный элемент, способный «впитывать» фотоны и хранить их долгое время. Обычно его добавляют в кристаллы в виде примеси, но у такого подхода есть минус: из-за неравномерного распределения атомов в материале появляются дефекты.

Исследователи из Иллинойса пошли другим путем — они создали стехиометрический кристалл, где европий не случайная добавка, а часть структуры. Это уменьшило количество дефектов и повысило стабильность.

Кристалл NaEu (IO₄)₄ имеет слоистую структуру, и если отделить один слой, его можно интегрировать в фотонный чип — важный шаг к созданию квантовой памяти. Правда, есть нюанс: если атомы европия расположены слишком близко, их свойства меняются. Поэтому ученым пришлось тщательно изучить поведение материала.

Память, работающая миллисекунды или дольше, позволит сохранять квантовое состояние достаточно долго, чтобы передать информацию в любую точку Земли, — говорит Голдшмидт. — Даже если сигнал пойдет через спутник или оптоволокно, огибающее планету, этого хватит.

Пока команда добилась времени хранения в 800 наносекунд.

Следующий шаг — увеличить этот показатель и научиться работать с отдельными слоями кристалла.

Современные компьютеры начинались точно так же — с кристаллов, которые изучали сто лет назад, — говорит Дэниел Шумейкер, профессор материаловедения, чья лаборатория вырастила кристаллы для исследования. — Мы не знаем, как будет выглядеть квантовая память через столетие, но точно знаем, что она будет зависеть от поведения отдельных атомов, как европий в нашем материале. Сейчас мы только начинаем — и это захватывает.

Это исследование — шаг к созданию квантового интернета. Если удастся стабильно хранить фотоны в кристаллах европия, можно будет передавать квантовую информацию на огромные расстояния без потерь. Это критически важно для:

• Защищенной связи — квантовые сети невозможно взломать без следа.
• Квантовых вычислений — память позволит синхронизировать работу кубитов в разных узлах.
• Глобальных синхронизированных систем — например, для точнейших часов или датчиков.

Пока это фундаментальная наука, но если технологию удастся масштабировать, она изменит правила игры.

Главный вопрос — масштабируемость. Пока речь идет о наносекундах и лабораторных условиях. Чтобы технология стала практичной, нужно:

• Увеличить время хранения хотя бы до миллисекунд.
• Найти способ массового производства тонких слоев кристалла.
• Обеспечить стабильность при интеграции в фотонные чипы.

Пока это лишь доказательство концепции, а не готовое решение.

Ранее ученые создали протокол квантовой памяти с использованием ядерных поглотителей.