שוברים מחסומים: הושג זיכרון קוונטי ראשון לצילומי רנטגן

חוקרים פיתחו זיכרון קוונטי פורץ דרך לקרני רנטגן, המאפשר זמני זיכרון ארוכים וסולל את הדרך ליישומי אופטיקה קוונטית מתקדמים, כולל פוטון הסתבכות באנרגיות רנטגן.

האור משמש כנושא יוצא דופן של מידע, וממלא תפקיד מכריע לא רק בטכנולוגיות תקשורת מסורתיות אלא גם ביישומים קוונטיים מתפתחים כמו רשת קוונטית ומחשוב. עם זאת, עיבוד אותות אור מורכב משמעותית מטיפול באותות אלקטרוניים סטנדרטיים.

צוות בינלאומי של חוקרים, כולל ד"ר אולגה קוצ'רובסקיה, פרופסור מכובדת במחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת טקסס A&M, הדגים דרך חדשה לאחסון ושחרור פולסי רנטגן ברמת הפוטון היחיד – רעיון שהוצע לראשונה ב- עבודה תיאורטית מוקדמת יותר של הקבוצה של קוצ'רובסקיה – שיכולה לחול על טכנולוגיות קוונטיות עתידיות של קרני רנטגן.

עבודת הצוות, בהובלת מכון הלמהולץ ג'נה פרופסור ד"ר ראלף רוהלברגר ובוצעה באמצעות מקורות הסינכרוטרונים PETRA III בסינכרוטון האלקטרונים הגרמני (DESY) בהמבורג ובמתקן קרינת סינכרוטרון האירופי בצרפת, הביאו למימוש הראשון של זיכרון קוונטי בטווח קרני הרנטגן הקשות. הממצאים שלהם מתפרסמים בכתב העת התקדמות המדע.

התפקוד והאתגרים של הזיכרון הקוונטי

"זיכרון קוונטי הוא מרכיב הכרחי של הרשת הקוונטית, המספק אחסון ושליפה של מידע קוונטי", אמר קוצ'רובסקיה, חבר במכון טקסס A&M למדע והנדסה קוונטית. "הצילומים הם נושאים מהירים וחסונים של מידע קוונטי, אבל קשה להחזיק אותם נייחים למקרה שיהיה צורך במידע זה במועד מאוחר יותר. דרך נוחה לעשות זאת היא על ידי הטבעת מידע זה לתוך מדיום מעין נייח בצורה של קיטוב או גל ספין עם זמן קוהרנטיות ארוך ושחרורו בחזרה באמצעות פליטה מחדש של הפוטונים המקוריים."

קוצ'רובסקיה אומר שמספר פרוטוקולים לזיכרונות קוונטיים הוקמו אך הם מוגבלים לפוטונים אופטיים ולהרכבים אטומיים. שימוש בהרכבים גרעיניים ולא אטומיים, היא מוסיפה, מספק זמני זיכרון ארוכים בהרבה שניתן להשיג אפילו בצפיפות גבוהה של מצב מוצק וטמפרטורת החדר. זמני זיכרון ארוכים יותר הם תוצאה ישירה של רגישות נמוכה יותר של המעברים הגרעיניים להפרעות על ידי שדות חיצוניים, הודות לגדלי הגרעינים הקטנים. בשילוב עם מיקוד הדוק של הפוטונים בתדר גבוה, גישות כאלה עשויות להוביל לפיתוח של זיכרונות קוונטיים קומפקטיים של מצב מוצק עם חיים ארוכים.

פיתוח פרוטוקול רנטגן/גרעיני חדש

"ההרחבה הישירה של הפרוטוקולים האופטיים/אטומיים לפרוטוקולים של קרני רנטגן/גרעיניים מתגלה כמאתגרת או בלתי אפשרית", מסביר ד"ר Xiwen Zhang, חוקר פוסט-דוקטורט בקבוצתו של Kocharovskaya שהשתתפה בניסוי והייתה שותפה למחברת המאמר של הצוות. "לכן, פרוטוקול חדש הוצע בעבודה הקודמת שלנו."

לדברי ג'אנג, הרעיון מאחורי הפרוטוקול החדש של הצוות הוא פשוט מאוד, לפחות במונחים של יסודות קוונטיים. בעיקרו של דבר, קבוצה של בולמי גרעין נעים יוצרת מסרק תדרים בספקטרום הספיגה עקב הסטת תדר הדופלר שנגרמה על ידי התנועה. דופק קצר עם הספקטרום התואם למסרק שנקלט בקבוצה כזו של מטרות גרעיניות ייפלט מחדש עם ההשהיה שנקבעה על ידי הסטת הדופלר ההפוכה כתוצאה מההפרעה הבונה בין רכיבים ספקטרליים שונים.

"הרעיון הזה התממש בהצלחה בניסוי הנוכחי שלנו הכולל בולמים נייחים אחד ושישה נעים סינכרוניים שיצרו מסרק תדרים בן שבע שיניים", הוסיף ג'אנג.

ג'אנג אומר שאורך החיים של קוהרנטיות גרעינית הוא הגורם המגביל שקובע את זמן האחסון המרבי עבור סוג זה של זיכרון קוונטי. לדוגמה, שימוש באיזומרים בעלי חיים ארוכים יותר מאשר באיזוטופ הברזל 57 שהצוות בחר למחקר הנוכחי שלהם יביא לזמן זיכרון ארוך יותר.

בלי קשר, הוא מציין שעבודה ברמת פוטון בודדת מבלי לאבד מידע מעמידה את פרוטוקול מסרק התדרים הגרעיני כזיכרון קוונטי, שהוא ראשון לאנרגיות קרני רנטגן. השלבים הבאים שמתוכנן על ידי הצוות כוללים שחרור לפי דרישה של מנות גלי הפוטונים המאוחסנות, מה שעלול להוביל למימוש ההסתבכות בין פוטוני רנטגן קשיחים שונים – המשאב העיקרי לעיבוד מידע קוונטי. המחקר של הצוות גם מדגיש את הפוטנציאל להרחבת טכנולוגיות קוונטיות אופטיות לטווח אורך הגל הקצר, שהוא מטבעו פחות "רועש" בגלל ממוצע של תנודות על פני מספר רב של תנודות בתדר גבוה.

קוצ'רובסקיה אומרת שהאפשרויות המאתגרות מסקרנות ושהיא ומשתפי הפעולה שלה מצפים להמשיך ולחקור את הפוטנציאל של הפלטפורמה הניתנת לכוונון, חזקה ורב-תכליתית שלהם כדי לקדם את תחום האופטיקה הקוונטית באנרגיות רנטגן בעתיד הקרוב.

המחקר מומן על ידי ה- Deutsche Forschungsgemeinschaft, DESY והקרן הלאומית למדע של ארה"ב.