تک فوتون ها حامل ایده آل اطلاعات کوانتومی هستند، به ویژه به این دلیل که سریع هستند، به سختی با محیط یا یکدیگر تعامل دارند و زیرساخت های مقیاس بزرگ برای توزیع آنها در حال حاضر به طور گسترده در دسترس است.

اکنون، قبل از اینکه شبکه‌ها بتوانند واقعاً کوانتومی کنند، به حافظه‌های کوانتومی مناسب برای تک فوتون‌ها نیاز است. برای همه چیز از ارتباط بافر گرفته تا همگام سازی عملیات پردازنده مورد نیاز است. در حالت ایده‌آل، چنین حافظه‌هایی باید سریع، کارآمد و ساده باشند و در نزدیکی دمای اتاق بدون نیاز به فناوری پیچیده مانند برودتی یا خلاء فوق‌العاده کار کنند.

در یک مطالعه اخیر، محققان در دانشگاه بازل اکنون در گروه پروفسور فیلیپ تروتلین یک حافظه کوانتومی ساخته شده است که مبتنی بر گاز اتمی درون یک سلول شیشه ای است.

لازم نیست اتم ها به طور خاص خنک شوند، که باعث می شود حافظه به آسانی تولید شود و حتی برای کاربردهای ماهواره ای همه کاره شود. علاوه بر این، محققان یک منبع فوتون واحد را کشف کرده‌اند که به آنها اجازه می‌دهد کیفیت و زمان ذخیره‌سازی حافظه کوانتومی را آزمایش کنند. نتایج آنها اخیراً در مجله علمی PRX Quantum منتشر شده است.

ما در کارمان ذخیره و بازیابی تک فوتون‌ها را در پهنای باند بالا در یک پلتفرم دمای اتاق نشان می‌دهیم که از یک منبع تک فوتون بر اساس تبدیل پارامتری خود به خودی (SPDC) و یک حافظه کوانتومی منطبق در بخار اتمی داغ تشکیل شده است.» ذکرهای مطالعه

اتم های گرم در سلول های بخار

جیانی بوزر، که به عنوان دکترای این آزمایش کار می کرد، می گوید: «مناسب بودن اتم های گرم در سلول های بخار برای حافظه های کوانتومی در بیست سال گذشته مورد بررسی قرار گرفته است. دانشجو. با این حال، معمولاً از پرتوهای لیزر ضعیف - و در نتیجه نور کلاسیک - استفاده می‌شد.» در نور کلاسیک، تعداد فوتون هایی که در یک دوره معین به سلول بخار برخورد می کنند، از توزیع آماری پیروی می کند. به طور متوسط، یک فوتون است، اما گاهی اوقات می تواند دو، سه یا هیچ باشد.

فعال کردن حافظه کوانتومی در لحظه مناسب

تروتلین و همکارانش برای آزمایش حافظه کوانتومی با "نور کوانتومی" - یعنی همیشه دقیقاً یک فوتون - یک منبع فوتون اختصاصی ایجاد کردند که دقیقاً یک فوتون را در یک زمان ساطع می کند. لحظه ای که این اتفاق می افتد توسط یک فوتون دوم، که همیشه همزمان با فوتون اول فرستاده می شود، اعلام می شود. این اجازه می دهد تا حافظه کوانتومی در لحظه مناسب فعال شود.

سپس تک فوتون به حافظه کوانتومی هدایت می شود، جایی که با کمک یک پرتو لیزر کنترلی، فوتون باعث می شود بیش از یک میلیارد اتم روبیدیم حالتی به اصطلاح برهم نهی دو سطح انرژی احتمالی اتم ها را به خود بگیرد.

خود فوتون در این فرآیند ناپدید می شود، اما اطلاعات موجود در آن به حالت برهم نهی اتم ها تبدیل می شود. نبض مختصری از کنترل لیزر سپس می تواند آن اطلاعات را پس از یک زمان ذخیره سازی مشخص بخواند و دوباره آن را به یک فوتون تبدیل کند.

کاهش نویز خواندن

روبرتو موتولا، دکترای دیگر توضیح می‌دهد: «تاکنون، یک نقطه بحرانی نویز بوده است - نور اضافی که در طول خواندن تولید می‌شود و می‌تواند کیفیت فوتون را به خطر بیندازد. دانشجو در آزمایشگاه تروتلین با استفاده از چند ترفند، فیزیکدانان توانستند آن نویز را به اندازه کافی کاهش دهند، به طوری که پس از مدت زمان ذخیره سازی چند صد نانوثانیه، کیفیت تک فوتون همچنان بالا بود.

تروتلین می‌گوید: «این زمان‌های ذخیره‌سازی خیلی طولانی نیستند، و ما در واقع آن‌ها را برای این مطالعه بهینه‌سازی نکردیم، اما اکنون بیش از صد برابر بیشتر از مدت زمان پالس تک فوتون ذخیره‌شده است.» این بدان معنی است که حافظه کوانتومی توسعه یافته توسط محققان بازل می تواند برای کاربردهای جالب استفاده شود. به عنوان مثال، می تواند به صورت تصادفی تک تولید شده را همگام کند فوتون، که سپس می تواند در برنامه های مختلف اطلاعات کوانتومی استفاده شود.

ویژگی های مطالعه

محققان ذخیره و بازیابی تک فوتون ها را در حافظه کوانتومی سلول بخار اتمی در حالت پایه گزارش کرده اند. آنها حافظه این طرح با استفاده از قوانین انتخاب قطبش در ساختار فوق ظریف اتمی و با کار در پهنای باند بسیار بالاتر از نرخ واپاشی تابشی حالت برانگیخته، نویز خواندن را سرکوب می کند.

آنها حافظه اتمی را با یک منبع تک فوتون بر اساس تبدیل پارامتری خود به خودی بهبود یافته با حفره (SPDC) پیوند می دهند، که برای این منظور با عملکرد و ویژگی های عملکردی بهبود یافته در مقایسه با کار قبلی خود ساخته اند.

فوتون‌های منفرد از این منبع در حافظه اتمی ذخیره می‌شوند و با آمار قطعی غیرکلاسیک عدد فوتون بازیابی می‌شوند، که فرصت‌های بیشتری را برای آزمایش‌های شبکه‌سازی کوانتومی در پهنای باند بالا در یک سیستم دمای اتاق باز می‌کند.

از طریق شبیه‌سازی‌های انجام شده در این مطالعه، آن‌ها یک نقشه راه برای پیشرفت‌های آینده ترسیم کرده‌اند که به طور همزمان کارایی پیشرفته‌ای را محقق خواهد کرد.

مرجع مجله

1. ذخیره سازی تک فوتون در حافظه کوانتومی سلول بخار در حالت زمین. جیانی بوسر، روبرتو موتولا، بیورن کوتینگ، جانیک ولترز و فیلیپ تروتلین. PRX Quantum 3، 020349 DOI: 10.1103/PRXQuantum.3.020349