Dok kvantni računari mogu raditi zanimljive stvari bez namjenske memorije, memorija bi pružila veliku fleksibilnost u pogledu vrsta algoritama koje bi mogli pokrenuti i kako kvantni sistemi mogu komunicirati jedni s drugima i s vanjskim svijetom. Izgradnja kvantne memorije je izuzetno izazovna, jer i čitanje i pisanje iz nje moraju biti izuzetno efikasni i precizni, a memorija mora raditi nešto što je netipično za kvantne sisteme: držati svoje stanje za značajno vrijeme.

No ako riješimo probleme, kvantna memorija nudi prilično neobična svojstva. Proces pisanja u kvantnu memoriju vrlo je sličan procesu kvantne teleportacije, što znači da se memorija potencijalno može prenijeti između različitih računarskih sredstava. A budući da je uređaj za pohranu kvantni objekt, postoji mogućnost da se dva qubita memorije na različitim lokacijama mogu ispreplesti, u suštini delokalizirajući vrijednost qubita.

U demonstraciji tog obećanja, kineski su istraživači ugradili kvantnu memoriju u objektima udaljenim više od 20 kilometara. Zasebno su izveli i zapetljavanje s fotonima koji su prešli 50 kilometara optičkog kabla. Ali proces prijenosa i umetanja dolazi s nesretnom nuspojavom: traje toliko dugo da memorija u međuvremenu izgubi koherenciju.

Kvantni grad
Osnovni obrisi eksperimenta poprilično su jasni za postupak koji je pomalo mutan. Ovdje se koriste kubiti mali oblaci hladnih atoma (oko stotinu miliona atoma za svaki). Smješteni su u stanje u kojem se atomi ne razlikuju iz kvantne perspektive i tako se mogu tretirati kao jedan kvantni objekt. Budući da će se kvantno stanje rasporediti istovremeno po svim atomima, to pruža malo veću stabilnost od ostalih oblika kvantne memorije. Stanje atomskog oblaka čita se i piše pomoću fotona, a atomi se postavljaju u optičku šupljinu koja hvata ove fotone. To osigurava da fotoni imaju mnogo mogućnosti za interakciju s atomskim oblakom, povećavajući efikasnost operacija.

Kad se stanje memorije postavi fotonom pisanja, atomski kolektiv emitira drugi foton što ukazuje na uspjeh. Polarizacija ovog fotona sadrži podatke koji se odnose na stanje atoma, pa služi kao sredstvo za zapetljavanje memorije.

Nažalost, taj foton je na talasnoj dužini koja i nije baš korisna jer se teži gubljenju tokom prijenosa. Dakle, istraživači su žrtvovali malo efikasnosti za puno korisnosti. Koristili su uređaj koji pomiče valnu dužinu fotona s bliskog infracrvenog na valnu dužinu koja se koristi u standardnim komunikacijskim vlaknima. Oko 30 posto fotona izgubljeno je, ali preostali se mogu prenijeti s visokom učinkovitošću preko postojećih vlakana (pod uvjetom da se tamo postavi pravi hardver gdje vlakno završi).

Postoje gubici zbog filtriranja buke i uvlačenja fotona u vlakno, ali cijeli je proces efikasan preko 30 posto, za kraj. U ovom slučaju, dva kraja su bila udaljena 11 km, na Kineskom univerzitetu za nauku i tehnologiju i softverskom parku Hefei.

Autori su stvorili dva kbita kvantne memorije, generisali fotone iz oba i poslali te fotone zasebnim kablovima u Software Park. Tamo su fotoni poslani kroz uređaj koji im je onemogućavao razlikovanje, zapetljavanje. Pošto su oni zauzvrat bili isprepleteni s kvantnom memorijom koja ih je proizvela, dva qubita memorije su tada bila isprepletena. Dok su boravili u istom laboratoriju, geometrija vlakana mogla je biti proizvoljna – bila je ekvivalentna isprepletanju dva bita memorije koja su bila udaljena 22 km.

To je veliki korak u odnosu na prethodni rekord od 1,4 km.

Idite dugo
Kako bi malo rastegnuli stvari, istraživači su se tada okrenuli dugom kalem kabelu. Dva fotona poslana su niz kabel i potom manipulirana tako da je bilo nemoguće odrediti koji su put krenuli kablom. To ih je opet zbunjivalo, a time i uspomene koje su u prvi plan emitirale fotone. Proces je zahtijevao da se prati faza dolaznih fotona, što je znatno teže, a samim tim i smanjena je ukupna efikasnost.

Za vlaknastu stazu dugu 50 km, to je dovelo do prilično niske efikasnosti, i to između 10-4. Što znači da se vrijeme za postizanje posrnuća povećalo – u ovom slučaju preko pola sekunde. I to je problem, jer je tipični životni vijek qubita pohranjenog u ovoj memoriji 70 mikrosekundi, što je puno kraće od procesa zamicanja. Dakle, pristup definitivno spada u kategoriju “nije baš spremno za proizvodnju”.

I to je nesretno jer pristup otvara niz vrlo intrigantnih mogućnosti. Jedan je da bi širenje qubita kroz dva objekta ovom delokalizacijom moglo omogućiti da se izvede jedan kvantni proračun na udaljenim objektima – moguće u onima koji koriste različit hardver koji ima različite snage i slabosti. A istraživači napominju da postoji tehnika koja se naziva zamjena zamke koja može još više proširiti udaljenost između memorija-qubita – pod uslovom da se kubiti drže u svom stanju. Ali ako sve to uključi neku količinu pogreške, ta će se greška brzo nagomilati i učiniti čitavu stvar beskorisnom.

Ništa od ovoga ne bi smjelo umanjiti postignuća koja su ovdje prikazana, ali pokazuje koliko još uvijek moramo ići. Neučinkovitost koja se pojavljuje na svakom koraku procesa, svaki predstavlja poseban inženjerski i / ili fizički izazov s kojim se moramo suočiti prije nego što bilo što od toga bude primjenjivo u stvarnom svijetu.

Izvor: Nature