Uložení a znovuvyvolání - „načítání“ - kvantových stavů koherentního laserového světla tak, aby se při této manipulaci nepoškodily a neztratily „data“ je jednou z největších výzev v oblasti vývoje kvantových počítačů. Mediální informace bývají trochu nadnesené anebo vybírají jenom pozitiva. Pravdou je, že k reálnému počítači, který si údaje ukládá ne v bitech, ale v kvantových quibitech, vede dlouhá cesta.
Klasické měření kvantových charakteristik způsobí kolaps vlnové funkce a ztrátu části kvantových informací. Je to důsledek Heisenbergova principu neurčitosti. Kvantové počítače ale budou muset tuto překážku obejít. Ve fyzikálních laboratořích po celém světě již vědci odzkoušeli celou řadu různých, více, či méně efektivních typů kvantových pamětí. Ale ani jedna zatím nedosáhla parametrů potřebných pro reálné využití.
Optické kvantové paměti, uchovávající na nepatrný okamžik kvantové charakteristiky fotonů koherentního světla, mají malou efektivitu – jenom okolo 17 procent. Proto nový typ s efektivitou až 69 %, který v nejnovějším čísle časopisu Nature prezentují vědci z Australské národní university, představuje vskutku výrazné zlepšení možností kvantové informace alespoň na krátký čas uchovat a pak „znovuoživit“ a přečíst. Ale i nová paměť má do praktického využití daleko. Požadovaný spodní limit pro uchování původních dat je totiž až 90 %.
I když mediem, které světlo na okamžik uvězní, je pevný krystal s kterým se dobře manipuluje, musí být podchlazený na nepředstavitelných -270 oC, tedy 3,15 oC nad absolutní nulou. Jde o 1,4 centimetry dlouhý monokrystal ortokřemičitanu ytria, nadopovaný atomy prazeodymu (Pr:Y2SiO5). Kontrolní pole udržuje atomy krystalu v základním stavu, na nejnižší energetické hladině. Po jeho vypnutí pulz koherentního světla s nízkou intenzitou atomy prazeodymu vybudí (excituje). Světlo se na několik mikrosekund doslova zastaví, aby se pak (po zapnutí kontrolního pole) opět, při přechodu atomů na základní energetickou hladinu, vyzářilo jako „echo“ původního pulzu. Samozřejmě že není možné záření věznit déle bez toho, aby se to negativně neodrazilo na rekonstrukci kvantových stavů. I mikrosekundy trvající transformace si vybere daň v podobě zvýšeného šumu a ztráty části dat. Podíl znovuzískaných informací se snižuje i při „silnějším“ světle. Australští vědci novou optickou kvantovou paměť testovali pomocí laserového pulzu o intensitě 1 až 500 fotonů.
„Světlo, které vstoupí do krystalu, se zpomalí, až zastaví do okamžiku, kdy mu povolíme opět se rozběhnout,“ možná až příliš populárně vysvětluje první autor článku, doktorand Morgan Hedges. „Když mu umožníme jít dál, dostáváme v podstatě to, co se děje v třírozměrném hologramu, zobrazeném přesně až do posledního fotonu. Vzhledem k neurčitosti, jež je kvantové mechanice vlastní, se některé informace, zakódované do kvantových stavů světla v okamžiku čtení ztratí. Kvantová mechanika tím zajišťuje jenom jednorázové čtení, což je ideální pro bezpečnost komunikace na dálku.“
Dočasné uvěznění světla chtějí fyzikové využít i pro testování některých nejpůsobivějších fyzikálních zákonitostí – například kvantovou propletenost, nebo přesněji propletenost kvantových stavů a teorii relativity. "Mohli bychom proplést kvantový stav dvou pamětí, to znamená dvou krystalů," říká šéf týmu Matthew Sellars. "Z kvantové mechaniky vyplývá, že čtení z jedné paměti bude okamžitě měnit to, co je uloženo v té druhé, bez ohledu na jejich vzájemnou vzdálenost.“
„Podle teorie relativity, plynutí času pro jednu paměť je ovlivněno jejím pohybem. S dobrou kvantovou pamětí by experiment ověřující působení těchto základních jevů mohl být stejně jednoduchý jako uložení jednoho krystalu do kufru mého auta a vyjížďka s ním.“
Sellarsov tým již dokázal v krystalu uvěznit světlo na déle než sekundu. I když ne pro účely přesné kvantové paměti. Jejich snahou bude spojit efektivitu v přesnosti zachování kvantových charakteristik se stále delším časem jejich uskladnění v krystalu.
Doporučený odborný článek o optických kvantových pamětích z letošního dubna.