Et løft i ydeevnen i fiberintegrerede kvantehukommelser

Kvantehukommelser er en af ​​byggestenene i fremtidens kvanteinternet. Uden dem ville det være ret umuligt at transmittere kvanteinformation over lange afstande og udvide til et rigtigt kvantenetværk. Disse minder har til opgave at modtage kvanteinformationen kodet i en foton i form af qubits, lagre den og derefter hente den. Kvantehukommelser kan realiseres i forskellige materialesystemer, for eksempel ensembler af kolde atomer eller doterede krystaller.

For at være nyttige minder skal de opfylde flere krav, såsom effektiviteten, varigheden og multiplekseringen af ​​deres lagringskapacitet, for at sikre kvaliteten af ​​den kvantekommunikation, de vil understøtte. Et andet krav, der er blevet et spørgsmål om betydelig forskning, er at designe kvantehukommelser, der kan integreres direkte i det fiberoptiske netværk.

I de seneste år og med kvanteteknologiernes boom, har der været en masse arbejde orienteret for at forbedre skalerbarheden af ​​eksisterende kvantehukommelser (gøre dem til mindre og/eller enklere enheder) for at lette deres integration og udrulning i et virkeligt arbejde netværk. En sådan fuldt integreret tilgang kommer med adskillige fysiske og tekniske forhindringer, herunder at finde en løsning, der bevarer gode kohærensegenskaber, giver et effektivt og stabilt system til at overføre fotoner fra optiske fibre til kvantehukommelsen, samt miniaturisering af kontrolsystemet. kvantehukommelsen og dens grænseflade med indkommende lys. Alt dette skal udføres, mens man når det samme niveau af ydeevne opnået i "standard" bulkversioner af enheden. Dette har indtil videre vist sig at være udfordrende, og de nuværende erkendelser af fiberintegrerede kvantehukommelser er langt fra, hvad der kan nås i bulkhukommelser.

Med disse mål klare, i et nyligt værk offentliggjort i Science Advances , ICFO-forskerne Jelena Rakonjac, Dario Lago-Rivera, Alessandro Seri og Samuele Grandi, ledet af ICREA-professor ved ICFO Hugues de Riedmatten, i samarbejde med Giacomo Corrielli og Roberto Osellame fra IFN-CNR og Margherita Mazzera fra Heriot-Watt University, har været i stand til at demonstrere sammenfiltring mellem en fiberintegreret kvantehukommelse og en telekommunikationsbølgelængdefoton.

En speciel kvantehukommelse

I deres eksperiment brugte holdet en krystal dopet med praseodym som deres kvantehukommelse. En bølgeleder blev derefter laserskrevet inde i hukommelsen. Dette er en kanal i mikrometerskala i krystallen, som begrænser og leder fotonen i et trangt rum. To identiske optiske fibre blev derefter fastgjort til begge sider af krystallen for at give en direkte grænseflade mellem fotoner, der bærer kvanteinformation, og hukommelsen. Denne eksperimentelle opsætning muliggjorde en fuldstændig fiberforbindelse mellem kvantehukommelsen og en kilde til fotoner.

For at bevise, at denne integrerede kvantehukommelse kan gemme sammenfiltring, brugte teamet en kilde til sammenfiltrede fotonpar, hvor en foton er kompatibel med hukommelsen, mens den anden har telekommunikationsbølgelængde. Med denne nye opsætning var de i stand til at lagre fotoner fra 2 µs op til 28 µs og bevare sammenfiltringen af ​​fotonparrene efter opbevaring. Det opnåede resultat er en væsentlig forbedring, fordi den sammenfiltringslagringstid, som teamet har vist, er 1.000 gange længere (tre størrelsesordener) end nogen anden tidligere fiberintegreret enhed, der er brugt indtil nu, og nærmer sig de præstationer, der er observeret i kvantehukommelser i bulk.

Dette var muligt takket være enhedens fuldt integrerede karakter, som gjorde det muligt at bruge et mere sofistikeret kontrolsystem end tidligere erkendelser. Endelig, da sammenfiltringen blev delt mellem en synlig foton lagret i kvantehukommelsen og en ved telekommunikationsbølgelængder, beviste holdet også, at systemet er fuldstændig kompatibelt med telekommunikationsinfrastruktur og egnet til langdistance kvantekommunikation.

Demonstrationen af ​​denne type integreret kvantehukommelse åbner op for mange nye muligheder, især med hensyn til multipleksing, skalerbarhed og yderligere integration. Som Jelena Rakonjac understreger, "har dette eksperiment givet os store forhåbninger i den forstand, at vi forestiller os, at mange bølgeledere kan fremstilles i én krystal, hvilket ville gøre det muligt for mange fotoner at blive lagret samtidigt i et lille område og maksimere kapacitetsegenskaberne i kvantehukommelse. Da enheden allerede er fiberkoblet, kan den også lettere forbindes med andre fiberbaserede komponenter."

Hugues de Riedmatten slutter med at sige, at "vi er begejstrede for dette resultat, som åbner mange muligheder for fiberintegrerede hukommelser. Det, der er klart, er, at netop dette materiale og måde at skabe bølgeledere på giver os mulighed for at opnå præstationer tæt på bulk-hukommelser. I fremtiden, udvidelse af lagringen til spin-tilstande vil tillade on-demand-hentning af de lagrede fotoner og føre til de lange lagringstider, som vi har sigtet efter. Denne fiber-integrerede kvantehukommelse viser afgjort et stort løfte for fremtidig brug i kvantenetværk." + Udforsk yderligere

Forskere opnår rekordsammenfiltring af kvantehukommelser