En computación cuántica , la memoria cuántica es la versión mecánico-cuántica de la memoria de computadora ordinaria . Mientras que la memoria ordinaria almacena información como estados binarios (representados por "1" y "0"), la memoria cuántica almacena un estado cuántico para su posterior recuperación. Estos estados contienen información computacional útil conocida como qubits . A diferencia de la memoria clásica de las computadoras cotidianas, los estados almacenados en la memoria cuántica pueden estar en una superposición cuántica , lo que brinda mucha más flexibilidad práctica a los algoritmos cuánticos que el almacenamiento de información clásico.
La memoria cuántica es esencial para el desarrollo de muchos dispositivos en el procesamiento de información cuántica , incluida una herramienta de sincronización que puede hacer coincidir los diversos procesos en una computadora cuántica , una puerta cuántica que mantiene la identidad de cualquier estado y un mecanismo para convertir fotones predeterminados en on. -Demanda de fotones. La memoria cuántica se puede utilizar en muchos aspectos, como la computación cuántica y la comunicación cuántica. La investigación y los experimentos continuos han permitido que la memoria cuántica realice el almacenamiento de qubits. [1]
La interacción de la radiación cuántica con múltiples partículas ha despertado el interés científico durante la última década. [ necesita contexto ] La memoria cuántica es uno de esos campos, que mapea el estado cuántico de la luz en un grupo de átomos y luego lo restaura a su forma original. La memoria cuántica es un elemento clave en el procesamiento de información, como la computación cuántica óptica y la comunicación cuántica , al tiempo que abre una nueva vía para la base de la interacción del átomo de luz. Sin embargo, restaurar el estado cuántico de la luz no es una tarea fácil. Si bien se han logrado avances impresionantes, los investigadores todavía están trabajando para hacerlo realidad. [2]
Se ha demostrado que es posible una memoria cuántica basada en el intercambio cuántico para almacenar qubits de fotones. Kessel y Moiseev [3] discutieron el almacenamiento cuántico en el estado de fotón único en 1993. El experimento fue analizado en 1998 y demostrado en 2003. En resumen, el estudio del almacenamiento cuántico en el estado de fotón único puede considerarse como el producto de la teoría clásica. Tecnología de almacenamiento óptico de datos propuesta en 1979 y 1982, una idea inspirada en la alta densidad de almacenamiento de datos a mediados de la década de 1970 [ cita requerida ] . El almacenamiento de datos ópticos se puede lograr mediante el uso de absorbentes para absorber diferentes frecuencias de luz, que luego se dirigen a puntos del espacio del haz y se almacenan.
Las señales ópticas clásicas normales se transmiten variando la amplitud de la luz. En este caso, se puede utilizar una hoja de papel o el disco duro de una computadora para almacenar información sobre la lámpara [ se necesita aclaración ] . Sin embargo, en el escenario de la información cuántica, la información puede codificarse según la amplitud y la fase de la luz. Para algunas señales, no se puede medir tanto la amplitud como la fase de la luz sin interferir con la señal. Para almacenar información cuántica, la propia luz debe almacenarse sin medirse. Una memoria cuántica de gas atómico registra el estado de la luz en la nube atómica. Cuando los átomos almacenan la información de la luz, la amplitud relativa y la fase de la luz se asignan a los átomos y se pueden recuperar a pedido. [4]
En la informática clásica , la memoria es un recurso trivial que puede replicarse en un hardware de memoria de larga duración y recuperarse más tarde para su posterior procesamiento. En la computación cuántica esto está prohibido porque, según el teorema de la no clonación , ningún estado cuántico no puede reproducirse por completo. Por lo tanto, en ausencia de corrección de errores cuánticos , el almacenamiento de qubits está limitado por el tiempo de coherencia interna de los qubits físicos que contienen la información. La "memoria cuántica" más allá de los límites de almacenamiento de qubits físicos dados será una transmisión de información cuántica para "almacenar qubits" que no se ven afectados fácilmente por el ruido ambiental y otros factores. Posteriormente, la información se transferiría nuevamente a los "qubits de proceso" preferidos para permitir operaciones o lecturas rápidas. [5]
La memoria cuántica óptica se utiliza habitualmente para detectar y almacenar estados cuánticos de un solo fotón. Sin embargo, producir una memoria eficiente de este tipo sigue siendo un gran desafío para la ciencia actual. Un solo fotón tiene tan poca energía que se pierde en un fondo luminoso complejo. Estos problemas han mantenido durante mucho tiempo las tasas de almacenamiento cuántico por debajo del 50%. Un equipo dirigido por el profesor Du Shengwang del departamento de física de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong [6] y el Instituto William Mong de Nanociencia y Tecnología de HKUST [7] ha encontrado una manera de aumentar la eficiencia de la memoria óptica cuántica. a más del 85 por ciento. El descubrimiento también acerca la popularidad de las computadoras cuánticas a la realidad. Al mismo tiempo, la memoria cuántica también puede utilizarse como repetidor en la red cuántica, lo que sienta las bases de la Internet cuántica.
La memoria cuántica es un componente importante de las aplicaciones de procesamiento de información cuántica , como la red cuántica , el repetidor cuántico, la computación cuántica óptica lineal o la comunicación cuántica a larga distancia . [8]
El almacenamiento óptico de datos ha sido un tema de investigación importante durante muchos años. Su función más interesante es el uso de las leyes de la física cuántica para proteger los datos contra robos, mediante la computación cuántica y la criptografía cuántica garantizan incondicionalmente la seguridad de las comunicaciones. [9]
Permiten que las partículas estén superpuestas y en estado de superposición , lo que significa que pueden representar múltiples combinaciones al mismo tiempo. Estas partículas se llaman bits cuánticos o qubits. Desde una perspectiva de ciberseguridad, la magia de los qubits es que si un hacker intenta observarlos en tránsito, sus frágiles estados cuánticos se hacen añicos. Esto significa que es imposible para los piratas informáticos alterar los datos de la red sin dejar rastro. Ahora, muchas empresas están aprovechando esta característica para crear redes que transmitan datos altamente confidenciales. En teoría, estas redes son seguras. [10]
El centro de vacantes de nitrógeno en diamantes ha atraído mucha investigación en la última década debido a su excelente rendimiento en dispositivos ópticos nanofotónicos. En un experimento reciente, se implementó transparencia inducida electromagnéticamente en un chip de diamante de múltiples pasadas para lograr una detección completa del campo magnético fotoeléctrico. A pesar de estos experimentos estrechamente relacionados, el almacenamiento óptico aún no se ha implementado en la práctica. La estructura de niveles de energía del centro de vacantes de nitrógeno existente (centro de carga negativa y centro de vacantes de nitrógeno neutro) hace posible el almacenamiento óptico del centro de vacantes de nitrógeno de diamante.
El acoplamiento entre el conjunto de espines vacantes de nitrógeno y los qubits superconductores proporciona la posibilidad de almacenamiento en microondas de qubits superconductores. El almacenamiento óptico combina el acoplamiento del estado de espín del electrón y bits cuánticos superconductores, lo que permite que el centro de nitrógeno vacante en el diamante desempeñe un papel en el sistema cuántico híbrido de conversión mutua de luz coherente y microondas. [11]
Una gran profundidad de luz resonante es la premisa para construir una memoria óptica cuántica eficiente. Isótopos de vapor de metal alcalino de una gran cantidad de profundidad óptica de longitud de onda de infrarrojo cercano , porque son una línea de espectro relativamente estrecha y el número de alta densidad en la temperatura cálida de 50-100 ∘ C. Los vapores alcalinos se han utilizado en algunos de los más importantes avances en memoria, desde las primeras investigaciones hasta los últimos resultados que estamos discutiendo, debido a su alta profundidad óptica, largo tiempo coherente y fácil transición óptica al infrarrojo cercano.
Debido a su alta capacidad de transmisión de información, la gente está cada vez más interesada en su aplicación en el campo de la información cuántica. La luz estructurada puede transportar momento angular orbital , que debe almacenarse en la memoria para reproducir fielmente los fotones estructurales almacenados. Una memoria cuántica de vapor atómico es ideal para almacenar tales haces porque el momento angular orbital de los fotones se puede asignar a la fase y amplitud de la excitación de integración distribuida. La difusión es una limitación importante de esta técnica porque el movimiento de los átomos calientes destruye la coherencia espacial de la excitación del almacenamiento. Los primeros éxitos incluyeron almacenar pulsos débilmente coherentes de estructura espacial en un todo atómico cálido y ultrafrío. En un experimento, el mismo grupo de científicos en una trampa magnetoóptica de cesio pudo almacenar y recuperar haces vectoriales a nivel de fotón único. [12] La memoria preserva la invariancia de rotación del haz vectorial, lo que permite utilizarlo junto con qubits codificados para una comunicación cuántica inmune desadaptada.
La primera estructura de almacenamiento, un fotón único real, se logró con transparencia inducida electromagnéticamente en una trampa magnetoóptica de rubidio. El fotón único predicho generado por la mezcla espontánea de cuatro ondas en una trampa magnetoóptica se prepara mediante una unidad de momento angular orbital utilizando placas de fase en espiral, se almacena en la segunda trampa magnetoóptica y se recupera. La configuración de doble órbita también demuestra coherencia en la memoria multimodo, donde un fotón único preanunciado almacena el estado de superposición del momento angular orbital durante 100 nanosegundos. [11]
GEM (Gradient Echo Memory) es un protocolo para almacenar información óptica y se puede aplicar tanto a memorias atómicas de gas como de estado sólido. La idea fue demostrada por primera vez por investigadores de la ANU . El experimento en un sistema de tres niveles basado en vapor atómico caliente resultó en una demostración de almacenamiento coherente con una eficiencia de hasta el 87%. [13]
La transparencia inducida electromagnéticamente (EIT) fue introducida por primera vez por Harris y sus colegas en la Universidad de Stanford en 1990. [14] El trabajo demostró que cuando un rayo láser causa una interferencia cuántica entre las rutas de excitación, la respuesta óptica del medio atómico se modifica para eliminar la absorción y la refracción en las frecuencias resonantes de las transiciones atómicas. Se pueden lograr luz lenta, almacenamiento óptico y memorias cuánticas basándose en EIT. A diferencia de otros enfoques, la EIT tiene un tiempo de almacenamiento prolongado y es una solución relativamente fácil y económica de implementar. Por ejemplo, la transparencia inducida electromagnéticamente no requiere los haces de control de muy alta potencia que normalmente se necesitan para las memorias cuánticas Raman, ni requiere el uso de temperaturas de helio líquido . Además, el eco de fotones puede leer EIT mientras la coherencia del espín sobrevive debido al retraso del pulso de lectura causado por una recuperación del espín en medios ensanchados de manera no uniforme. Aunque existen algunas limitaciones en la longitud de onda operativa, el ancho de banda y la capacidad de modo, se han desarrollado técnicas para hacer de las memorias cuánticas basadas en EIT una herramienta valiosa en el desarrollo de sistemas de telecomunicaciones cuánticas . [11] En 2018, una memoria óptica basada en EIT altamente eficiente en átomos fríos demostró una eficiencia de almacenamiento y recuperación del 92 % en el régimen clásico con haces coherentes [15] y se demostró una eficiencia de almacenamiento y recuperación del 70 % para qubits de polarización codificados en estados coherentes débiles, superando cualquier punto de referencia clásico. [16] Después de estas demostraciones, los qubits de polarización de fotón único se almacenaron mediante EIT en un conjunto atómico frío de 85 Rb y se recuperaron con una eficiencia del 85 % [17] y también se logró el entrelazamiento entre dos memorias cuánticas basadas en cesio con una transferencia general. Eficiencia cercana al 90%. [18]
La transformación mutua de información cuántica entre luz y materia es el foco de la informática cuántica . Se investiga la interacción entre un único fotón y un cristal enfriado dopado con iones de tierras raras . Los cristales dopados con tierras raras tienen amplias perspectivas de aplicación en el campo del almacenamiento cuántico porque proporcionan un sistema de aplicación único. [19] Li Chengfeng, del laboratorio de información cuántica de la Academia de Ciencias de China, desarrolló una memoria cuántica de estado sólido y demostró la función de computación de fotones utilizando el tiempo y la frecuencia. Con base en esta investigación, se puede construir una red cuántica a gran escala basada en un repetidor cuántico utilizando el almacenamiento y la coherencia de los estados cuánticos en el sistema material. Los investigadores lo han demostrado por primera vez en cristales dopados con iones de tierras raras. Al combinar el espacio tridimensional con el tiempo bidimensional y el espectro bidimensional, se crea un tipo de memoria diferente a la general. Tiene capacidad multimodo y también se puede utilizar como convertidor cuántico de alta fidelidad. Los resultados experimentales muestran que en todas estas operaciones, la fidelidad del estado cuántico tridimensional transportado por el fotón se puede mantener en alrededor del 89%. [20]
Diamond tiene una ganancia Raman muy alta en modo fonón óptico de 40 THz y tiene una amplia ventana transitoria en una banda visible e infrarroja cercana, lo que la hace adecuada para ser una memoria óptica con una banda muy ancha. Después de la interacción del almacenamiento Raman, el fonón óptico se desintegra en un par de fotones a través del canal y la vida útil de la desintegración es de 3,5 ps, lo que hace que la memoria de diamante no sea adecuada para el protocolo de comunicación.
Sin embargo, la memoria del diamante ha permitido algunos estudios reveladores de las interacciones entre la luz y la materia a nivel cuántico: los fonones ópticos en un diamante pueden usarse para demostrar la memoria cuántica de emisión, el entrelazamiento macroscópico, el almacenamiento de fotón único predicho y la memoria de fotón único. Manipulación de frecuencia. [11]
Para la memoria cuántica, la comunicación cuántica y la criptografía son las direcciones de investigación futuras. Sin embargo, existen muchos desafíos para construir una red cuántica global. Uno de los desafíos más importantes es crear memorias que puedan almacenar la información cuántica que transporta la luz. Investigadores de la Universidad de Ginebra en Suiza que trabajan con el CNRS de Francia han descubierto un nuevo material en el que un elemento llamado iterbio puede almacenar y proteger información cuántica, incluso a altas frecuencias. Esto convierte al iterbio en un candidato ideal para futuras redes cuánticas. Como las señales no se pueden replicar, los científicos ahora están estudiando cómo se puede hacer que las memorias cuánticas viajen cada vez más lejos capturando fotones para sincronizarlos. Para ello, resulta importante encontrar los materiales adecuados para crear memorias cuánticas. El iterbio es un buen aislante y funciona a altas frecuencias para que los fotones puedan almacenarse y restaurarse rápidamente.