Pamięć kwantowa jest wersją pamięci komputerowej operującej według zasad mechaniki kwantowej. Podczas gdy tradycyjna pamięć przechowuje informacje w formie binarnej (zero-jedynkowej), pamięć kwantowa wykorzystuje stany kwantowe, czyli informację wykorzystywaną w dużo bardziej złożonych obliczeniach. Określone stany kwantowe posiadają m.in. fotony. Składają się one na widmo emitowane przez różne przedmioty, niosąc różnorodne informacje. Przykładowo, światło dochodzące do nas z gwiazdy zawiera informację o pierwiastkach, z jakich jest ona zbudowana. Z drugiej strony, światło przepuszczone przez określony roztwór lub materiał pozwala uzyskać dane o jego składzie. Jest to podstawa spektroskopii (spektrometrii), wykorzystywanej na co dzień w badaniach biologicznych, fizycznych, chemicznych i medycynie.

Urządzenie zbudowali fizycy z Centrum Optycznych Technologii Kwantowych i Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego: Mateusz Mazelanik, Adam Leszczyński i dr Michał Parniak. Pozwala ono wydobyć nieosiągalne dotąd maksimum informacji zawartych w świetle. Procesor kwantowy może zarówno przechowywać światło z zewnątrz, jak i generować pojedyncze fotony, dzięki czemu można go wykorzystać jako superrozdzielczy spektrofotometr. Technologia kwantowa pozwala obejść tzw. limit Rayleigha. Ograniczenie to przewiduje, że informacji ze światła nie można wydobyć z nieskończenie dużą dokładnością, ponieważ sygnały w widmie (linie spektralne) są tak do siebie zbliżone, że tradycyjne spektrometry optyczne nie są w stanie ich rozróżnić. Skonstruowany spektrometr z procesorem kwantowym bije klasyczny limit, wykorzystując niewielką ilość światła do uzyskania rozdzielczości sygnału 15 kHz (lub czterdzieści części na bilion). Innymi słowy, jest w stanie rozróżnić bardzo subtelne zmiany w widmie światła, kodujące dużo więcej informacji, niż byliśmy w stanie do tej pory odczytać.

Fot. Mateusz Mazelanik (z lewej) i dr Michał Parniak przy układzie pamięci i procesora kwantowego; źródło: Uniwersytet Warszawski

Jak to działa?

Prace nad pamięcią kwantową i jej wykorzystaniem trwały od kilku lat. Jej sercem jest chmura kilku miliardów ekstremalnie schłodzonych atomów rubidu umieszczonych w próżni w szklanej komorze, stanowiąc tzw. pułapkę magnetooptyczną. To właśnie oświetlone laserem atomy rubidu są nośnikiem informacji – jest ona zapisana w postaci tzw. fal spinowych i może być odtworzona w postaci kolejnej grupy fotonów. Otrzymaną technologię można wykorzystać nie tylko w spektroskopii, ale także w teleinformatyce do wydajnego przesyłu informacji. Twórcy procesora kwantowego zaprezentowali swoje osiągnięcia na łamach prestiżowego „Nature Communications”.