Кристалл прячет СВЧ-сигнал от лазерного шума и выдаёт его позже
В установке уже отработал яркий импульс оптической накачки, детектор пережил его послесвечение, и только затем открывается короткое окно регистрации. Через 460 мкс в нём возникает оптическое эхо — след слабого СВЧ-импульса, пришедшего задолго до этого. Авторы работы в Nature Communications добились такого порядка событий в кристалле ¹⁷¹Yb³⁺:Y₂SiO₅, охлаждённом до 30 мК.
Сцена отвечает на неприятную проблему квантовых СВЧ-оптических интерфейсов. Оптический фотон, несущий преобразованный сигнал, чрезвычайно слаб, однако для самого преобразования нужен мощный лазер. Если ловить фотон одновременно с накачкой, полезный отсчёт оказывается рядом с её рассеянием, люминесценцией и хвостами управляющих импульсов. Фильтры должны пропустить один нужный фотон и почти полностью убрать намного более яркий свет.
Авторы переносят конфликт во времени. СВЧ-импульс на переходе 2623.35 МГц вместе с оптической накачкой создаёт в неоднородном ансамбле ионов коллективную оптическую когерентность. Это существенная оговорка: кристалл не принимает и не хранит готовый одиночный СВЧ-фотон как файл в буфере. Он сохраняет коллективное состояние атомов, в которое совместно записалась информация двух полей.
Дальше накачку выключают. Два частотно-чирпированных импульса быстрого адиабатического прохождения, RAP, обращают расплывание фаз в ансамбле: ионы снова складывают излучение согласованно и отдают оптическое эхо около 978 нм в выбранный момент. Память выступает временным затвором. Полезный свет появляется после главного лазерного удара, когда детектору уже не приходится смотреть прямо в него.
При хранении 460 мкс в окне шириной 4 мкс зарегистрировали около 0.4 шумового фотона; при 620 мкс — около 0.3. Это ещё не тишина: основной вклад даёт свободная индукция, то есть затухающее когерентное излучение, возбуждённое самими RAP-импульсами. Люминесценция от накачки оценена примерно в 0.02 фотона. Более долгая задержка очищает временное окно, но одновременно съедает полезное эхо: измеренное время когерентности памяти составляет 475 мкс.
Когерентность преобразования проверили интерференцией с оптическим локальным осциллятором. Видимость около 82% показывает, что схема переносит фазу СВЧ-сигнала, а не просто создаёт световой импульс в нужный момент. Авторы также записали и извлекли десять временных и спектральных мод. Это важно для интерфейса с несколькими квантовыми каналами: один ансамбль способен удерживать очередь сигналов и выдавать её по расписанию.
Красота результата не должна скрывать масштаб потерь. Сквозная измеренная эффективность преобразования составляет 4×10⁻¹¹; оценка внутренней эффективности после вычета потерь — 4×10⁻⁸ для задержки 460 мкс. Выходной свет лежит у 978 нм, далеко от телеком-диапазона 1.55 мкм. Перед нами демонстрация физического приёма, а не готовый мост между сверхпроводниковым кубитом и волоконной сетью.
Зато приём чрезвычайно инженерный. Если полезный сигнал нельзя выделить из помехи по уровню или спектру, его можно временно спрятать в материале и извлечь после того, как источник помехи исчез. Здесь эту функцию выполняет квантовая память, однако сама логика применима далеко за пределами квантовой оптики.