Физики из Университета Женевы (Швейцария) реализовали «хранение» квантового состояния одного фотона из запутанной пары частиц с помощью примесных ионов неодима в кристалле.

Величина задержки для разных значений времени хранения, которые указаны справа (иллюстрация авторов работы).

Пары запутанных фотонов были получены по известной и многократно описанной методике спонтанного параметрического рассеяния. Источником излучения служил лазер, работавший на длине волны в 532 нм. «Сцепленные» фотоны имели длину волны в 883 и 1338 нм; последнее значение, отметим, практически идеально подходит для передачи по оптоволокну.

В качестве запоминающей среды учёные использовали ~10⁹ ионов Nd³⁺ в сантиметровом кристалле силиката иттербия Y₂SiO₅, охлаждённом до 3 К. Фотон с длиной волны 883 нм направлялся на кристалл, поглощался и через некоторое заданное время излучался повторно, а затем его регистрировал детектор на основе кремниевого лавинного фотодиода. Вторая (1 338-нанометровая) частица уходила по 50-метровому отрезку оптоволокна в отдельную лабораторию, где её ждал однофотонный сверхпроводящий детектор.

В эксперименте определялась величина задержки, разделяющей моменты регистрации фотонов. Собранная по результатам длительных измерений статистика совпадений показала, что задержка чаще всего соответствует заданному времени хранения; это, очевидно, служит свидетельством исправного функционирования схемы. Эффективность работы квантовой памяти, определяемая как отношение числа поглощённых и испущенных фотонов к общему числу падающих на кристалл фотонов, оказалась довольно высокой: при времени хранения в 100 нс она составляла 12%, а при 25 нс — поднималась до 21%.

Для того чтобы доказать, что состояние запутанности в опыте не теряется, необходимо было провести стандартный тест — продемонстрировать нарушение неравенства Белла. Эта задача была решена для неравенства в форме Клаузера — Хорна — Шимони — Хольта.

Результаты опыта должны заинтересовать тех, кто занимается разработкой квантовых повторителей (устройств, которые могут решить проблему потерь в оптоволокне), сдерживающих развитие систем квантовой криптографии. На практике физикам, конечно, понадобятся более высокие значения эффективности и времени хранения, а также возможность считывания информации по запросу. В настоящее время проводятся эксперименты с кристаллами Y₂SiO₅ с добавками празеодима и европия, демонстрирующими нужные свойства.