En ny tilgang til at realisere højeffektive, højdimensionelle kvantehukommelser

Mange fysikere og ingeniører har forsøgt at udvikle højeffektive kvanteteknologier, der kan udføre lignende funktioner som konventionel elektronik ved at udnytte kvantemekaniske effekter. Dette omfatter højdimensionelle kvantehukommelser, lagerenheder med en større informationskapacitet og støjmodstandsdygtighed end todimensionelle kvantehukommelser.

Indtil videre har udviklingen af ​​disse højdimensionelle minder vist sig udfordrende, og de fleste forsøg har ikke givet tilfredsstillende effektivitet. I et papir offentliggjort i Physical Review Letters , et forskerhold ved University of Science and Technology i Kina og Hefei Normal University introducerede for nylig en tilgang til at realisere en højeffektiv 25-dimensionel hukommelse baseret på kolde atomer.

"Vores gruppe har brugt den orbitale vinkelmomenttilstand i rumkanalen til at studere højdimensionel kvantelagring og har akkumuleret et væld af forskningserfaring og teknologi," fortalte Dong Sheng Ding, medforfatter af papiret, til Phys.org. "At opnå højdimensionel og højeffektiv kvantelagring har altid været vores mål."

I deres tidligere undersøgelser fandt Ding og hans kolleger ud af, at de enestående egenskaber af et rumligt mønster kendt som det perfekte optiske hvirvelfelt kunne være særligt fordelagtige for udviklingen af ​​højdimensionelle kvantehukommelser. Dette inspirerede dem til at udnytte den tilstandsuafhængige interaktion mellem lys og stof forbundet med dette mønster til at realisere højdimensionel og effektiv kvantelagring.

"Det grundlæggende princip for vores lagerenhed er baseret på det elektromagnetisk inducerede gennemsigtighedsfænomen, som er samspillet mellem lys og stof," forklarede Ding. "Simpelt sagt bremses signalfotonerne ned til nul hastighed i mediet og lagres i en periode. Derefter kan den lagrede information om signalfotoner hentes af kontrollyset."

Kvantesystemet skabt af forskerne består af signalfotoner, en kontrollysstråle, et Rubidium koldt atomare ensemble, der fungerer som lagringsmediet og en rumlig lysmodulator, der koder og afkoder højdimensionel kvanteinformation. Holdets hukommelse koder højdimensionel information på signalfotonerne, hvilket i sidste ende realiserer den højdimensionelle lagring af information i mediet.

"Før vores arbejde var effektiv kvantehukommelse begrænset til todimensionelle kvantelagringssystemer," sagde Ding. "Fordelen ved vores arbejde ligger i at udvide lagringsdimensionen fra to til 25, hvilket giver mulighed for forberedelse af højdimensionel hukommelse, der opererer i højdimensionelle Hilbert-rum. Dette udvider ikke kun hukommelsens kapacitet og øger den overførbare kapacitet. af kvantekommunikation, men har også potentielle implikationer for fejltolerant kvanteberegning."

I indledende test viste forskerne, at deres kvantehukommelse kan lagre 25-dimensionelle højdimensionelle tilstande. Det er dog bemærkelsesværdigt, at deres system også kan lagre vilkårlige højdimensionelle tilstande fra 1 til 25 dimensioner (dvs. inklusive 3-dimensionelle, 5-dimensionelle, 10-dimensionelle tilstande og så videre).

"Vores resultater demonstrerer kompatibiliteten af ​​vores hukommelse med programmerbare højdimensionelle kvantetilstande i intervallet 1 til 25 dimensioner," sagde Ding. "Derudover har vi teoretisk analyseret skalerbarheden af ​​vores hukommelses dimensionalitet. Ved yderligere at optimere det optiske vejdesign kan vi opnå effektiv lagring af op til 100 eller endda højere dimensionelle tilstande, hvilket viser de unikke fordele ved vores højdimensionelle lagringsskema. ."

Det seneste arbejde af Ding og hans kolleger introducerede en ny meget lovende metode til at opnå effektiv højdimensionel kvantelagring. I fremtiden vil denne tilgang kunne bruges til at skabe forskellige højdimensionelle kvantehukommelser, som igen kan hjælpe med at realisere andre kvanteteknologier, såsom højdimensionelle kvanterepeatere.

"Ved vores tilgang er det især muligt at realisere en praktisk højdimensionel kvantehukommelse," tilføjede Ding. "I fremtiden vil vi etablere højdimensionelle kvanterepeatere ved hjælp af højdimensionelle kvantehukommelser, hvilket muliggør højdimensionel kvantekommunikation mellem to eller flere fjerntliggende kvanteknuder."

Flere oplysninger: Ming-Xin Dong et al., højeffektiv opbevaring af 25-dimensionel fotonisk qudit i en kold-atom-baseret kvantehukommelse, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.240801

Journaloplysninger: Physical Review Letters

© 2024 Science X Network