Kvantiniai metodai klasikinės informacijos skaitymui

Straipsnis, kuriame aprašomas klasikinės atminties kvantinis nuskaitymas, buvo atspausdintas “Physical Review Letters” žurnale. Straipsnio autorius yra fizikas Stefano Pirandola iš Jorko universiteto, esančio Didžiojoje Britanijoje.

“Tai yra pirmas darbas, kuriame parodyta neklasikinės šviesos panaudojimo nauda, nuskaitant duomenis iš skaitmeninių atminties laikmenų naudojų dabartiniuose optiniuose įrenginiuose”, – pasakė Pirandola.

Kaip Pirandola aiškina savo darbe, egzistuoja labai svarbus skirtumas tarp klasikinės šviesos, tai yra šviesos, kuri yra naudojama praktiškai visuose šių dienų technologiniuose taikymuose, ir kvantinės šviesos. Klasikinėje šviesoje elektromagnetinio lauko būsenos gali būti nagrinėjamos kaip koherentinių būsenų tikimybinė suma. Priešingu atveju, kai būsenų suskaidymas į koherentines būsenas yra negalimas, turime neklasikinį (kvantinį) elektromagnetinį lauką. Svarbus neklasikinių būsenų pavyzdys yra susietosios būsenos, o ypač susietos Einšteino-Podolskio-Roseno (EPR) koreliacijomis. Kai dvi šviesos būsenos yra aprašomos šios rūšies susietosiomis būsenomis, jų koordinatės ir impulso kvadratūros stipriai siejasi.

Pasiūlytame metode nagrinėjamas atvejis, kai klasikinė skaitmeninė atmintis yra sudaryta iš daugelio šviesą atspindinčių elementų, kurių kiekvienas gali turėti du galimus atspindžio koeficientus, atitinkančius būsenas 0 ir 1, tai yra dvi bito reikšmes. Siekiant nuskaityti užrašytą informaciją, elementas yra apšviečiamas šviesa, o jutiklis nuskaito atspindėtą šviesą ir nustato elemento būseną. Dabar tam naudojama klasikinė šviesa. Tačiau mažėjant šviesos intensyvumui, mažėja ir nuskaitomos informacijos kiekis iš kiekvieno elemento.

Iš kitos pusės, kvantinė šviesa nėra apribota teorine riba, būdinga klasikinei šviesai. Pirandolos skaičiavimai parodė, kad EPR siųstuvai, tai yra naudojantys kvantinę šviesą, gali nuskaityti daugiau informacijos nei klasikiniai šviesos siųstuvai. Ir tam reikia tik kelių fotonų. Jis apskaičiavo, kad kvantinės šviesos duodama nauda gali būti labai didelė – nuskaitomas vienas bitas iš vieno šviesą atspindinčio elemento. Tai atitinka ribinę situaciją, reiškiančią, kad kvantinė šviesa gali atgaminti užkoduotą informaciją, o klasikinei šviesai ši informacija yra nepasiekiama.

Kadangi kvantinė šviesa gali skaityti skaitmeninę informaciją naudodama žymiai mažiau fotonų nei klasikinė šviesa, tai stipriai mažina informacijos skaitymo laiką ir tuo pačiu didina duomenų perdavimo spartą. Pavyzdžiui, kvantinės šviesos panaudojimas sudarytų galimybę didinti DVD sukimosi greitį. Tuo tarpu naudojant fiksuotą sukimosi greitį, kvantinės šviesos naudojimas galėtų duoti didesnius informacijos saugojimo pajėgumus lyginant su klasikine šviesa.

“Gaunamas našumas bus aiškesnis ateityje, kai kvantinės technologijos pateiks daug efektyvesnius kvantinės šviesos šaltinius, – pasakė Pirandola. – Naudojant kvantinę šviesą informacija gali būti nuskaityta su keliais fotonais vienam bitui. Šiuo metu naudojama apie 10¹⁰ fotonų vienam bitui. Tai gali būti svarbi idėja galimiems informacijos nuskaitymo technologijos tobulinimams, tačiau aš negaliu tiksliai apskaičiuoti gautino pranašumo”.

Pirandola savo darbe taip pat parodo, kad EPR siųstuvai gali būti sėkmingai pritaikomi atminties moduliuose, kai kiekvienas informacijos bitas yra saugomas keliuose elementuose ir tokiu būdu užtikrinamas nepertraukiamas duomenų nuskaitymas. Tuo tarpu mažos energijos klasikiniai siųstuvai praktiškai yra beverčiai tokiomis sąlygomis, kadangi jiems reikia žymiai daugiau elementų vienam informacijos bitui nuskaityti.

Dar vienas kvantinės šviesos panaudojimo kelias būtų konfidencialios informacijos skaitymas organinėse atmintyse. Silpna kvantinė šviesa galėtų nuskaityti saugomus duomenis, kadangi tam užtenka kelių fotonų. Daug galingesnė klasikinė šviesa sunaikintų tokią atmintį.

“Sudėtingiausia dalis, norint eksperimentiškai pademonstruoti šią idėją, susijusi su šviesos šaltiniais, kurie turi būti greiti ir efektyvūs, – pasakė Pirandola. – Nežiūrint į tai, bandomieji eksperimentai gali būti atlikti naudojant dabartines technologijas”.