Τα μεμονωμένα φωτόνια είναι ιδανικοί φορείς κβαντικών πληροφοριών, ειδικά επειδή είναι γρήγορα, ελάχιστα αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον ή μεταξύ τους και η μεγάλης κλίμακας υποδομή για τη διανομή τους είναι ήδη ευρέως διαθέσιμη.
Τώρα, προτού τα δίκτυα μπορέσουν πραγματικά να γίνουν κβαντικά, χρειάζονται κατάλληλες κβαντικές μνήμες για μεμονωμένα φωτόνια. Απαιτείται για τα πάντα, από την επικοινωνία προσωρινής αποθήκευσης έως τον συγχρονισμό των λειτουργιών του επεξεργαστή. Στην ιδανική περίπτωση, τέτοιες μνήμες θα πρέπει να είναι γρήγορες, αποτελεσματικές και απλές, να λειτουργούν κοντά σε θερμοκρασία δωματίου χωρίς να απαιτείται πολύπλοκη τεχνολογία όπως κρυογονική ή εξαιρετικά υψηλό κενό.
Σε μια πρόσφατη μελέτη, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Βασιλείας στην ομάδα του καθηγητή Philipp Treutlein έχουν τώρα αναπτύξει μια κβαντική μνήμη που βασίζεται σε ένα ατομικό αέριο μέσα σε μια γυάλινη κυψέλη.
Τα άτομα δεν χρειάζεται να ψύχονται ειδικά, γεγονός που καθιστά τη μνήμη εύκολη στην παραγωγή και ευέλικτη, ακόμη και για δορυφορικές εφαρμογές. Επιπλέον, οι ερευνητές έχουν συνειδητοποιήσει μια μοναδική πηγή φωτονίων που τους επέτρεψε να δοκιμάσουν την ποιότητα και τον χρόνο αποθήκευσης της κβαντικής μνήμης. Τα αποτελέσματά τους δημοσιεύτηκαν πρόσφατα στο επιστημονικό περιοδικό PRX Quantum.
«Στην εργασία μας επιδεικνύουμε αποθήκευση και ανάκτηση μεμονωμένων φωτονίων σε υψηλό εύρος ζώνης σε μια πλατφόρμα θερμοκρασίας δωματίου, που αποτελείται από μια πηγή ενός φωτονίου που βασίζεται στην αυθόρμητη παραμετρική καθοδική μετατροπή (SPDC) και μια αντίστοιχη κβαντική μνήμη σε έναν θερμό ατομικό ατμό». Αναφέρει μελέτη.
Ζεστά άτομα σε κυψέλες ατμού
«Η καταλληλότητα των θερμών ατόμων σε κυψέλες ατμού για κβαντικές μνήμες έχει διερευνηθεί τα τελευταία είκοσι χρόνια», λέει ο Gianni Buser, ο οποίος εργάστηκε στο πείραμα ως Ph.D. μαθητης σχολειου. «Συνήθως, ωστόσο, χρησιμοποιήθηκαν εξασθενημένες ακτίνες λέιζερ - και ως εκ τούτου το κλασικό φως -». Στο κλασικό φως, ο αριθμός των φωτονίων που χτυπούν το κύτταρο ατμού σε μια ορισμένη περίοδο ακολουθεί μια στατιστική κατανομή. Κατά μέσο όρο, είναι ένα φωτόνιο, αλλά μερικές φορές μπορεί να είναι δύο, τρία ή κανένα.
Ενεργοποίηση κβαντικής μνήμης την κατάλληλη στιγμή
Για να δοκιμάσουν την κβαντική μνήμη με το «κβαντικό φως» –δηλαδή, πάντα ακριβώς ένα φωτόνιο– ο Treutlein και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν μια αποκλειστική πηγή φωτονίου που εκπέμπει ακριβώς ένα φωτόνιο τη φορά. Η στιγμή που συμβαίνει αυτό αναγγέλλεται από ένα δεύτερο φωτόνιο, το οποίο αποστέλλεται πάντα ταυτόχρονα με το πρώτο. Αυτό επιτρέπει στην κβαντική μνήμη να ενεργοποιηθεί την κατάλληλη στιγμή.
Στη συνέχεια, το μοναδικό φωτόνιο κατευθύνεται στην κβαντική μνήμη, όπου, με τη βοήθεια μιας δέσμης λέιζερ ελέγχου, το φωτόνιο αναγκάζει περισσότερα από ένα δισεκατομμύριο άτομα ρουβιδίου να λάβουν τη λεγόμενη κατάσταση υπέρθεσης δύο πιθανών ενεργειακών επιπέδων των ατόμων.
Το ίδιο το φωτόνιο εξαφανίζεται στη διαδικασία, αλλά οι πληροφορίες που περιέχονται σε αυτό μετατρέπονται στην κατάσταση υπέρθεσης των ατόμων. Ένας σύντομος παλμός του ελέγχου λέιζερ μπορεί στη συνέχεια να διαβάσει αυτές τις πληροφορίες μετά από ορισμένο χρόνο αποθήκευσης και να τις μετατρέψει ξανά σε φωτόνιο.
Μείωση του θορύβου ανάγνωσης
«Μέχρι τώρα, ένα κρίσιμο σημείο ήταν ο θόρυβος – το πρόσθετο φως που παράγεται κατά την ανάγνωση και που μπορεί να θέσει σε κίνδυνο την ποιότητα του φωτονίου», εξηγεί ο Roberto Mottola, άλλος Ph.D. μαθητής στο εργαστήριο του Treutlein. Χρησιμοποιώντας μερικά κόλπα, οι φυσικοί κατάφεραν να μειώσουν αυτόν τον θόρυβο επαρκώς, έτσι ώστε μετά από χρόνους αποθήκευσης πολλών εκατοντάδων νανοδευτερόλεπτων, η ποιότητα του ενός φωτονίου να ήταν ακόμα υψηλή.
«Αυτοί οι χρόνοι αποθήκευσης δεν είναι πολύ μεγάλοι και στην πραγματικότητα δεν τους βελτιστοποιήσαμε για αυτήν τη μελέτη», λέει ο Treutlein, «αλλά ήδη τώρα είναι περισσότερο από εκατό φορές μεγαλύτεροι από τη διάρκεια του αποθηκευμένου παλμού ενός φωτονίου». Αυτό σημαίνει ότι η κβαντική μνήμη που αναπτύχθηκε από ερευνητές της Βασιλείας μπορεί ήδη να χρησιμοποιηθεί για ενδιαφέρουσες εφαρμογές. Για παράδειγμα, μπορεί να συγχρονίσει τυχαία παραγόμενο single φωτόνια, το οποίο μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί σε διάφορες εφαρμογές κβαντικών πληροφοριών.
Χαρακτηριστικά της μελέτης
Οι ερευνητές έχουν αναφέρει την αποθήκευση και την ανάκτηση μεμονωμένων φωτονίων σε μια κβαντική μνήμη ατομικού κυττάρου ατμού βασικής κατάστασης. Δικα τους μνήμη Το σχήμα καταστέλλει τον θόρυβο ανάγνωσης αξιοποιώντας τους κανόνες επιλογής πόλωσης στην ατομική υπερλεπτή δομή και λειτουργώντας σε εύρος ζώνης πολύ υψηλότερο από τον ρυθμό ακτινοβολίας αποσύνθεσης της διεγερμένης κατάστασης.
Διασυνδέουν την ατομική μνήμη με μια πηγή ενός φωτονίου που βασίζεται στην αυθόρμητη παραμετρική καθοδική μετατροπή ενισχυμένης κοιλότητας (SPDC), την οποία κατασκεύασαν για το σκοπό αυτό με βελτιωμένα χαρακτηριστικά λειτουργίας και απόδοσης σε σύγκριση με την προηγούμενη εργασία τους.
Μεμονωμένα φωτόνια από αυτήν την πηγή αποθηκεύονται στην ατομική μνήμη και ανακτώνται με αναμφισβήτητα μη κλασικές στατιστικές αριθμού φωτονίων, ανοίγοντας πολλές περαιτέρω δυνατότητες για πειράματα κβαντικής δικτύωσης σε υψηλό εύρος ζώνης σε ένα σύστημα θερμοκρασίας δωματίου.
Μέσω προσομοιώσεων στη μελέτη, έχουν χαράξει έναν οδικό χάρτη για μελλοντικές βελτιώσεις που θα πραγματοποιήσουν ταυτόχρονα αποτελεσματικότητα αιχμής.
Εφημερίδα αναφοράς
- Αποθήκευση ενός φωτονίου σε κβαντική μνήμη ατμού κυψέλης εδάφους-κατάστασης. Gianni Buser, Roberto Mottola, Björn Cotting, Janik Wolters και Philipp Treutlein. PRX Quantum 3, 020349 DOI: 10.1103/PRXQuantum.3.020349
