Был фотоном ‒ стал фононом: физики заставили свет замереть на час

Учёные из Пекинской академии квантовой информации (BAQIS) установили мировой рекорд по длительности хранения света. Им удалось удержать информацию, записанную с помощью световых сигналов, в течение 4 035 секунд – более часа. Это достижение открывает новые возможности для развития квантовых технологий.

Фотоны движутся со скоростью 300 000 километров в секунду, что делает их удержание крайне сложной задачей. В силу своей квантовой природы они почти не взаимодействуют между собой и пребывают в непрерывном движении – таково фундаментальное свойство света. Если обычные материальные объекты можно остановить с помощью физических барьеров, то у этих частиц есть лишь два состояния: они либо несутся на предельной скорости, либо исчезают, поглощаясь веществом.

Чтобы обойти ограничение, китайские исследователи придумали оригинальное решение: они научились преобразовывать световые сигналы в звуковые. С последними работать гораздо проще – они движутся намного медленнее. "Представьте фотоны как крошечные шарики, движущиеся на высоких скоростях. Когда они сталкиваются с тонкой плёнкой, амплитуда света, частота и другая информация преобразуются в звуковые сигналы. Сохраняя эти звуковые сигналы в плёнке, свет можно удержать", – объясняет еще один участник исследования, Ли Тефу.

Тонкая плёнка из монокристаллического карбида кремния - главный атрибут новой методики. Этот материал способен не просто преобразовывать световые сигналы в звуковые – он обладает целым набором уникальных свойств. Как было сказано выше, когда фотоны попадают на поверхность плёнки, их энергия преобразуется в механические колебания – своего рода звуковые волны внутри материала. Именно в такой форме информация может храниться относительно длительное время.

Карбид кремния идеально справляется с задачей благодаря своей кристаллической структуре. В ней атомы выстроены настолько упорядоченно, что колебания могут распространяться с минимальными потерями энергии. Кристаллы способны выдерживать сильное напряжение, не разрушаясь и не теряя своих свойств.

Предыдущие эксперименты с металлическим алюминием и нитридом кремния таких результатов не давали. Вещество быстро рассеивало энергию из-за несовершенств своей структуры. В результате звуковые волны, несущие информацию о свете, затухали за доли секунды.

Теперь же команда смогла не только удерживать свет рекордное время, но и точно контролировать весь процесс. Система позволяет управлять скоростью распространения сигналов в кристалле, создавая своеобразные "карманы памяти".

Особенно впечатляющих результатов удалось достичь при охлаждении кристалла до температуры, близкой к абсолютному нулю – тысячным долям кельвина. В таких условиях атомы кристаллической решётки карбида кремния колеблются минимально, что позволяет сохранять записанные данные с высочайшей точностью. Благодаря отличной теплопроводности вся система остаётся исключительно стабильной, так что сигналы не искажаются со временем.

Это открытие может серьёзно повлиять на развитие квантовых компьютеров. Классические вычислительные машины обрабатывают информацию в виде битов, принимающих значение либо 0, либо 1. В квантовых же системах используются кубиты, способные находиться одновременно в обоих состояниях благодаря принципу суперпозиции. Фотоны идеально подходят на роль носителей квантовой информации – они перемещают её на большие расстояния и участвуют в сложнейших вычислительных операциях. Непрерывное движение световых частиц не позволяет сохранять данные достаточно долго для проведения расчётов, так что фокусы с превращением фотонов в фононы - огромный прорыв на пути к созданию "квантовой памяти"

Сейчас команда работает над тем, чтобы ещё больше увеличить время хранения информации, повысить её плотность и улучшить совместимость с другими квантовыми технологиями.