Lang levetid lagring af en fotonisk qubit til verdensomspændende teleportation

Hvad angår udviklingen af ​​kvantehukommelser til realisering af globale kvantenetværk, forskere fra Quantum Dynamics Division ledet af professor Gerhard Rempe ved Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) har nu opnået et stort gennembrud:de demonstrerede den langvarige opbevaring af en fotonisk qubit på et enkelt atom fanget i en optisk resonator. Sammenhængstiden for den lagrede kvantebit overgår 100 millisekunder og matcher derfor kravet om oprettelse af et globalt kvantenetværk, hvor qubits direkte teleporteres mellem slutknudepunkter. "De sammenhængstider, vi opnår, repræsenterer en forbedring med to størrelsesordener i forhold til den nuværende state-of-the-art, "siger professor Rempe. Undersøgelsen er publiceret i Natur fotonik i dag.

Lys er en ideel bærer til kvanteinformation kodet på enkeltfotoner, men overførsel over lange afstande er ineffektiv og upålidelig på grund af tab. Direkte teleportation mellem slutnoderne i et netværk kan bruges til at forhindre tab af dyrebare kvantebits. Først, fjernindvikling skal oprettes mellem noderne; derefter, en passende måling på afsendersiden udløser den "uhyggelige handling på afstand, "dvs. øjeblikkelig transport af qubit til modtagerens knude. Imidlertid er kvantebitten kan drejes, når den når modtageren og skal derfor vendes tilbage. Til denne ende, de nødvendige oplysninger skal klassisk kommunikeres fra afsender til modtager. Dette tager en vis tid, hvorunder qubit skal bevares ved modtageren. I betragtning af to netværksnoder på de fjerneste steder på jorden, dette svarer til et tidsrum på 66 millisekunder.

I 2011, Professor Rempes gruppe har demonstreret en vellykket teknik til lagring af en fotonisk kvantebit på et enkelt atom. Atomet er placeret i midten af ​​et optisk hulrum, der er dannet af to spejl med høj finesse og holdes på plads ved stående lysbølger. En enkelt foton, der bærer kvantebiten i en sammenhængende superposition af to polarisationstilstande, begynder at interagere stærkt med det enkelte atom, når den sendes ind i resonatoren. Ultimativt, fotonet absorberes af atomet, og kvantebitten overføres til en sammenhængende superposition af to atomtilstande. Udfordringen er at opretholde den atomare superposition så længe som muligt. I tidligere forsøg, lagringstiden var begrænset til et par hundrede mikrosekunder.

"Det største problem ved lagring af kvantebits er fænomenet affasning, "forklarer Stefan Langenfeld, en doktorand ved forsøget. "Kendetegnende for en kvantebit er den relative fase af bølgefunktionerne i atomtilstandene, der er kohærent overlejret. Desværre er i virkelige eksperimenter, denne faseforhold går tabt over tid mest på grund af interaktion med svingende omgivende magnetfelter. "

I deres nuværende eksperiment, forskerne træffer nye foranstaltninger for at modvirke virkningen af ​​disse udsving. Når oplysningerne er overført fra foton til atom, befolkningen i en atomtilstand overføres kohærent til en anden stat. Dette gøres ved at bruge et par laserstråler til at fremkalde en Raman -overgang. I denne nye konfiguration, den lagrede qubit er 500 gange mindre følsom over for magnetfeltudsving.

Inden hentningen af ​​den lagrede fotoniske kvantebit, Raman -overgangen er vendt. I en lagringstid på 10 millisekunder, overlapningen af ​​den lagrede foton med den hentede foton er ca. 90%. Det betyder, at den blotte overførsel af atom-qubit til en mindre følsom tilstandskonfiguration forlænger sammenhængstiden med en faktor 10. En anden faktor på 10 blev opnået ved at tilføje et såkaldt "spin-ekko" til den eksperimentelle sekvens. Her, befolkningen i de to atomtilstande, der bruges til opbevaring, byttes midt i lagringstiden. "Den nye teknik giver os mulighed for at bevare den lagrede bits kvantekarakter i mere end 100 millisekunder, "siger Matthias Körber, en doktorand ved forsøget. "Selvom et påtænkt globalt kvantenetværk, der muliggør sikker og pålidelig transport af kvanteinformation, stadig kræver meget forskning, den langvarige opbevaring af kvantebits er en af ​​nøgleteknologierne, og vi mener, at de nuværende forbedringer vil bringe os et betydeligt skridt tættere på dets realisering. "