Криогенная память — это область физики, изучающая возможность сохранения информации при экстремально низких температурах. Она основывается на использовании сверхпроводящих и магнетооптических материалов, в которых наблюдаются уникальные свойства квантовой когерентности и подавление тепловых флуктуаций. При температурах ниже нескольких Кельвинов тепловое движение атомов минимизируется, что позволяет стабильно хранить информацию на уровне отдельных спинов или квантовых состояний.
Ключевым аспектом является снижение энтропии среды. В криогенных условиях система практически перестает обмениваться энергией с окружающей средой, что обеспечивает долговременную сохранность квантовой информации. Практическое использование криогенной памяти связано с квантовыми вычислениями, сверхпроводящими цепями и сверхчувствительными сенсорами.
Сверхпроводники Сверхпроводящие материалы, такие как ниобий, алюминий и их сплавы, обладают нулевым электрическим сопротивлением при температуре ниже критической. В таких системах возможна реализация джозефсоновских переходов, которые служат элементами хранения информации в виде квантовых битов (кубитов). Ключевое свойство — сверхтекучий ток, способный существовать без рассеяния энергии, что минимизирует деградацию информации.
Магнитные материалы с низкими потерями Некоторые магнитные изоляционные кристаллы, например, YIG (иттриево-железный гранат), при температурах ниже 1 К показывают стабильные спиновые состояния. Эти состояния могут использоваться для хранения информации, где спин каждого атома или группы атомов представляет собой квантовый бит.
Топологические изоляционные материалы В последние годы особое внимание уделяется материалам, обладающим топологическими свойствами, где квантовые состояния защищены от локальных возмущений. При криогенных температурах топологические кубиты демонстрируют высокую устойчивость к декогеренции.
1. Квантовая когерентность Когерентные квантовые состояния позволяют хранить суперпозицию 0 и 1 без перехода в классическое состояние. Длительность когерентности (T₂) напрямую зависит от температуры: чем ниже температура, тем меньше тепловых флуктуаций, тем дольше сохраняется когерентность.
2. Подавление теплового шума На низких температурах тепловое возбуждение атомов практически отсутствует. Это снижает вероятность случайного переключения состояния кубита или спина, что обеспечивает долговременную стабильность криогенной памяти.
3. Изоляция от внешних полей Для сохранения информации важно минимизировать взаимодействие с электромагнитным фоном и вибрациями. Часто криогенные установки включают магнитные экраны и механические демпферы, что снижает вероятность декогеренции.
Сверхпроводящие кубиты на основе джозефсоновских переходов Используются схемы с конденсаторами и индукторами, образующими квантовые резонаторы. Каждое состояние тока через джозефсоновский переход соответствует логической 0 или 1. Ключевой момент: высокая Q-факторность резонатора обеспечивает длительное хранение информации.
Спиновые кубиты в магнетооптических кристаллах Кристаллы с локализованными спинами, охлажденные до миллиКельвинов, позволяют кодировать информацию в ориентации спина. Применяются импульсы микроволнового поля для чтения и записи данных. Особенность: возможность масштабирования до больших массивов кубитов при минимальных потерях энергии.
Топологические кубиты Используют экзотические квазичастицы (например, майорановские фермионы), которые обладают свойством устойчивости к локальным возмущениям. Преимущество: высокая защищенность от шумов и ошибок, критическая для квантовых вычислений.