양자 메모리

Quantum memory
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양자역학
슈뢰딩거 방정식
배경
기초
실험
제제
방정식
해석
상세 토픽
과학자

양자 컴퓨팅에서 양자 메모리는 일반 컴퓨터 메모리의 양자 기계 버전입니다.일반 메모리는 정보를 이진 상태("1"s와 "0"s"로 표시됨)로 저장하는 반면, 양자 메모리는 나중에 검색하기 위해 양자 상태를 저장합니다.이러한 상태는 큐비트로 알려진 유용한 계산 정보를 보유합니다.일상적인 컴퓨터의 고전적인 기억과 달리, 양자 메모리에 저장된 상태는 양자 중첩 상태에 있을 수 있으며, 고전적인 정보 저장 장치보다 양자 알고리즘에서 훨씬 더 실용적인 유연성을 제공합니다.

양자메모리는 양자컴퓨터의 다양한 프로세스에 매치할 수 있는 동기도구, 임의의 상태의 동일성을 유지하는 양자게이트, 소정의 광자를 온디맨드 광자로 변환하는 메커니즘을 포함한 양자정보처리에서 많은 디바이스의 개발에 필수적이다.양자 메모리는 양자 컴퓨팅과 양자 통신과 같은 많은 측면에서 사용될 수 있습니다.지속적인 연구와 실험으로 양자 기억은 [1]큐비트의 저장을 실현할 수 있었다.

배경 및 이력

양자 방사선과 여러 입자의 상호작용은 지난 [needs context]10년 동안 과학적인 관심을 불러일으켰다.양자 기억은 빛의 양자 상태를 원자 그룹에 매핑한 다음 원래 모양으로 복원하는 그런 분야 중 하나입니다.양자 메모리는 광양자 컴퓨팅과 양자 통신과 같은 정보 처리의 핵심 요소이며, 빛-원자 상호 작용의 기초를 위한 새로운 길을 엽니다.하지만 빛의 양자 상태를 복원하는 것은 쉬운 일이 아니다.인상적인 진전이 있었지만, 연구원들은 여전히 그것을 [2]실현하기 위해 노력하고 있다.

광자 큐비트를 저장하기 위한 양자 교환에 기초한 양자 메모리가 가능하다는 것이 입증되었다.케셀과 모이세프는[3] 1993년에 단일 광자 상태의 양자 저장을 논의했다.이 실험은 1998년에 분석되었고 2003년에 입증되었다.요약하면, 단일 광자 상태의 양자 스토리지에 대한 연구는 1970년대[citation needed] 중반의 데이터 스토리지의 고밀도에서 영감을 얻은 아이디어인 1979년과 1982년에 제안된 기존의 광학 데이터 스토리지 기술의 산물로 간주할 수 있다.광데이터 기억은 흡수기를 사용하여 서로 다른 주파수의 빛을 흡수하여 빔 공간점으로 유도하여 저장할 수 있습니다.

종류들

광양자 메모리

통상의 고전적인 광신호는 빛의 진폭을 변화시킴으로써 송신된다.이 경우, 종이 한 장 또는 컴퓨터 하드 디스크를 사용하여[clarification needed] 램프에 정보를 저장할 수 있습니다.단, 양자정보 시나리오에서는 빛의 진폭과 위상에 따라 정보를 부호화할 수 있다.일부 신호의 경우 신호를 간섭하지 않고는 조명의 진폭과 위상을 모두 측정할 수 없습니다.양자 정보를 저장하기 위해서는 빛 자체가 측정되지 않고 저장되어야 한다.양자 기억용 빛은 빛의 상태를 원자 구름에 기록하는 것입니다.빛이 원자에 의해 흡수될 때, 그들은 빛의 [4]양자에 대한 모든 정보를 입력할 수 있다.

솔리드 양자 메모리

기존 컴퓨팅에서 메모리는 수명이 긴 메모리 하드웨어에서 복제되고 나중에 추가 처리를 위해 가져올 수 있는 사소한 리소스입니다.양자컴퓨팅에서, 이것은 금지되어 있다. 왜냐하면, no clone 정리에 따르면, 어떤 양자상태도 완전히 재현될 수 없기 때문이다.따라서 양자오차보정이 없을 경우 큐비트의 기억은 정보를 보유하는 물리 큐비트의 내부코히렌스 시간에 의해 제한된다.주어진 물리적 큐비트 저장 한도를 초과하는 "퀀텀 메모리"는 환경 노이즈 및 기타 요인에 의해 쉽게 영향을 받지 않는 "저장 큐비트"로 양자 정보를 전송하는 것입니다.정보는 나중에 우선되는 "프로세스 큐비트"로 다시 전송되어 신속한 작업 또는 [5]읽기를 가능하게 합니다.

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검출

광학 양자 메모리는 보통 단일 광자 양자 상태를 검출하고 저장하는 데 사용됩니다.하지만, 이러한 종류의 효율적인 기억을 만드는 것은 여전히 현재의 과학에 큰 도전이다.단일 광자는 복잡한 광배경에서 손실될 정도로 에너지가 낮다.이러한 문제로 인해 양자 저장율은 오랫동안 50% 미만으로 유지되어 왔습니다.홍콩과기대[6] 물리학과 두승광 교수와 홍콩대[7] 윌리엄 몽 나노과학기술원(William Mong Institute of Nano Science and Technology)이 이끄는 연구팀은 광학 양자 메모리의 효율을 85% 이상으로 높일 수 있는 방법을 찾아냈다.이 발견은 또한 양자컴퓨터의 인기를 현실에 가깝게 한다.동시에 양자메모리는 양자네트워크에서 리피터로서도 사용할 수 있어 양자인터넷의 기반이 된다.

조사 및 응용

양자 메모리는 양자 네트워크, 양자 중계기, 선형 광학 양자 계산 또는 장거리 양자 [8]통신과 같은 양자 정보 처리 애플리케이션의 중요한 구성요소입니다.

광학 데이터 스토리지는 수년간 중요한 연구 주제였습니다.가장 흥미로운 기능은 양자컴퓨팅과 양자암호화를 통해 데이터를 도난으로부터 보호하기 위해 양자물리학의 법칙을 사용하는 것입니다.[9]

입자를 겹쳐서 겹치는 상태로 만들 수 있습니다. 즉, 동시에 여러 조합을 나타낼 수 있습니다.이 입자들은 양자 비트 또는 큐비트라고 불립니다.사이버 보안의 관점에서 큐비트의 마법은 해커가 큐비트를 이동 중에 관찰하려고 하면 취약한 양자 상태가 산산조각난다는 것입니다.이는 해커들이 흔적을 남기지 않고 네트워크 데이터를 조작하는 것은 불가능하다는 것을 의미합니다.현재 많은 기업이 이 기능을 이용하여 매우 민감한 데이터를 전송하는 네트워크를 구축하고 있습니다.이론적으로 이들 네트워크는 [10]안전합니다.

마이크로파 저장 및 라이트 러닝 마이크로파 변환

다이아몬드의 질소-빈칸 센터는 광나노포토닉 소자의 뛰어난 성능으로 인해 지난 10년 동안 많은 연구를 끌어모았습니다.최근 실험에서 전자적으로 유도되는 투명성이 멀티패스 다이아몬드 칩에 구현되어 완전한 광전 자기장 감지를 실현했습니다.이러한 밀접한 관련 실험에도 불구하고 광학 스토리지는 아직 실제로 구현되지 않았습니다.기존의 질소-빈칸 중심(음전하 및 중성 질소-빈칸 중심) 에너지 레벨 구조는 다이아몬드 질소-빈칸 중심 광학적 저장을 가능하게 한다.

질소-공진 스핀 앙상블과 초전도 큐비트 간의 결합은 초전도 큐비트의 마이크로파 저장 가능성을 제공합니다.광축적장치는 전자 스핀 상태와 초전도 양자 비트의 결합을 결합하여 다이아몬드 내 질소-빈칸 중심이 간섭성 빛과 [11]마이크로파 상호 변환의 하이브리드 양자 시스템에서 역할을 할 수 있도록 합니다.

궤도 각운동량은 알칼리 증기에 저장된다.

큰 공명 광심도는 효율적인 양자 광학 메모리 구축을 전제로 한다.근적외선 파장의 광학적 깊이가 많은 알칼리 금속증기 동위원소는 비교적 좁은 스펙트럼 라인과 50~100 µC의 고온에서 고밀도 수이기 때문이다.알칼리 증기는 높은 광학적 깊이, 긴 간섭성 시간 및 쉬운 근적외선 광학적 전환으로 인해 초기 연구부터 현재 논의 중인 최신 결과에 이르기까지 가장 중요한 메모리 개발에 사용되고 있습니다.

높은 정보 전송 능력 때문에, 사람들은 양자 정보 분야에서 그것의 적용에 점점 더 관심을 가지고 있다.구조화된 빛은 궤도 각운동량을 운반할 수 있으며, 저장된 구조 광자를 충실하게 재현하기 위해 메모리에 저장되어야 합니다.원자증기 양자메모리는 광자의 궤도각운동량이 분산적분 들뜸의 위상 및 진폭에 매핑될 수 있기 때문에 이러한 빔을 저장하는 데 이상적이다.뜨거운 원자의 움직임이 저장 여진의 공간적 일관성을 파괴하기 때문에 확산은 이 기술의 주요 한계입니다.초기 성공에는 따뜻하고 초경량 원자 전체에 약하게 일관된 공간 구조의 펄스를 저장하는 것이 포함되었다.한 실험에서, 세슘 자기 광학 트랩에 있는 같은 그룹의 과학자들은 단일 광자 [12]수준에서 벡터 빔을 저장하고 검색할 수 있었다.메모리는 벡터 빔의 회전 불변성을 보존하여 부적응 면역 양자 통신을 위해 인코딩된 큐비트와 함께 사용할 수 있게 합니다.

첫 번째 저장 구조인 실제 단일 광자는 루비듐 자기 광학 트랩에서 전자적으로 유도되는 투명성을 통해 달성되었습니다.하나의 자기광학 트랩에서 자발적인 4파 혼합에 의해 생성된 예측된 단일 광자는 나선형 위상판을 이용한 궤도 각운동량 유닛에 의해 작성되어 두 번째 자기광학 트랩에 저장되고 회수된다.이중 궤도 설정은 또한 멀티 모드 메모리에서의 일관성을 증명합니다.여기서 사전 공지된 단일 광자는 [11]100나노초 동안 궤도 각운동량 중첩 상태를 저장합니다.

광학 양자

보석.

GEM(Gradient Echo Memory)은 포토닉 에코 광학 스토리지 기술이다.이 아이디어는 ANU의 연구자들에 의해 처음 입증되었다. 그들의 실험은 증기에 기초한 3단계 시스템이다.이 시스템은 87%[13]의 고온 증기에서 우리가 본 것 중 가장 효율적입니다.

전자적으로 유도되는 투명성

다음 항목도 참조하십시오.전자적으로 유도되는 투명성

전자유도투명성(EIT)은 1990년 [14]스탠포드 대학의 Harris와 그의 동료들에 의해 처음 도입되었다.레이저 빔이 들뜸 경로 사이에 양자 간섭을 일으킬 때 원자 매체의 광학 반응이 원자 이행의 공진 주파수에서 흡수 및 굴절을 제거하도록 수정되는 것으로 나타났다.EIT를 기반으로 느린 빛, 광학 스토리지, 양자 메모리를 실현할 수 있습니다.다른 접근 방식과 달리 EIT는 스토리지 시간이 길고 구현이 비교적 쉽고 저렴한 솔루션입니다.예를 들어, 전자기적으로 유도되는 투명성은 일반적으로 라만 양자 메모리에 필요한 매우 높은 전력 제어 빔을 필요로 하지 않으며 액체 헬륨 온도도 필요로 하지 않습니다.또, 불균일하게 확대된 미디어에서의 스핀 회복에 의해 발생하는 판독 펄스의 시간 지연에 의해, 스핀 코히렌스가 존속하는 동안, 광자 에코가 EIT를 판독할 수 있다.작동 파장, 대역폭, 모드 용량에 제한이 있지만 EIT 기반 양자 메모리를 양자 통신 [11]시스템 개발에 유용한 도구로 만드는 기술이 개발되었습니다.2018년, 콜드 아톰의 고효율 EIT 기반 광학 메모리는 코히런트 빔을 사용하여 기존 시스템에서 92%의 저장 및 검색 효율성을 입증했으며, 약한 코히런트 상태로 인코딩된 편파 큐비트에 대해서는 70%의 저장 및 검색 효율성을 입증하여 기존 [16]벤치마크를 능가했습니다.이러한 시연에 따라 단일 광자 편광 큐비트가 EIT를 통해 Rb 냉원자 앙상블에 저장되고 85%의 효율로 검색되었으며 두 개의 세슘 기반 양자 메모리 사이의 얽힘도 90%에 가까운 [18]전체 전송 효율로 달성되었다.

희토류를 도핑한 결정

빛과 물질 사이의 양자 정보의 상호 변환은 양자 정보학의 초점이다.희토류 이온이 도핑된 단일 광자와 냉각 결정 사이의 상호작용을 조사한다.희토류를 도핑한 크리스탈은 독특한 응용 [19]시스템을 제공하기 때문에 양자 저장 분야에서 광범위한 응용 가능성을 가지고 있습니다.중국과학원 양자정보연구실의 리청펑은 고체 양자메모리를 개발해 시간과 주파수를 이용해 광자컴퓨팅 기능을 시연했다.이 연구에 근거해, 재료계내의 양자 상태의 저장과 일관성을 이용해, 양자 중계기에 근거하는 대규모 양자 네트워크를 구축할 수 있다.연구진이 희토류 이온 도프 결정체를 처음으로 발견했다.3차원 공간과 2차원 시간, 2차원 스펙트럼을 조합함으로써 일반과는 다른 종류의 메모리를 생성한다.그것은 또한 고성능 양자 변환기로 사용할 수 있는 복합 능력이 있다.실험 결과 이러한 모든 작전에서 3차원 양자 상태는 광자에 의하여 운반되의 충실도에 89%에서 유지될 수 있는 것을 보여 준다.[20]

고체 중의 라만 산란

다이아몬드는 40THz의 광포논 모드에서 매우 높은 라만 게인을 가지고 있으며 가시적이고 근적외선 대역에서 넓은 과도 창을 가지고 있어 매우 넓은 대역을 가진 광메모리로 적합하다.라만 기억 상호작용 후 광포논은 채널을 통해 한 쌍의 광자로 분해되며, 붕괴 수명은 3.5ps이므로 다이아몬드 메모리가 통신 프로토콜에 적합하지 않다.

그럼에도 불구하고, 다이아몬드 메모리는 빛과 물질의 양자 수준에서의 상호작용에 대한 몇 가지 드러나는 연구를 가능하게 했다: 다이아몬드 속의 광학 포논은 방출 양자 메모리, 거시적 얽힘, 미리 예측된 단일 광자 저장, 그리고 단일 광자 주파수 [11]조작을 증명하기 위해 사용될 수 있다.

장래의 발전

양자메모리는 양자통신과 암호화가 미래 연구 방향이다.그러나 글로벌 양자 네트워크 구축에는 많은 과제가 있다.가장 중요한 과제 중 하나는 빛으로 운반되는 양자 정보를 저장할 수 있는 기억을 만드는 것이다.프랑스의 CNRS와 함께 일하는 스위스 제네바 대학의 연구원들은 이터비움이라고 불리는 원소가 높은 주파수에서도 양자 정보를 저장하고 보호할 수 있는 새로운 물질을 발견했다.이 때문에 이터튬은 미래의 양자 네트워크에 이상적인 후보가 됩니다.신호가 복제될 수 없기 때문에, 과학자들은 이제 어떻게 양자 기억이 그것들을 동기화시키기 위해 광자를 포착함으로써 점점 더 멀리 이동하도록 만들 수 있는지 연구하고 있다.이를 위해서는 양자기억을 만드는 데 적합한 재료를 찾는 것이 중요해진다.이터튬은 좋은 절연체이며 광자를 저장하고 빠르게 복원할 수 있도록 높은 주파수에서 작동합니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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