Wat betreft de ontwikkeling van kwantumgeheugens voor de realisatie van wereldwijde kwantumnetwerken, wetenschappers van de Quantum Dynamics Division onder leiding van professor Gerhard Rempe van het Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) hebben nu een grote doorbraak bereikt:ze demonstreerden de langdurige opslag van een fotonische qubit op een enkel atoom dat gevangen zit in een optische resonator. De coherentietijd van de opgeslagen kwantumbit duurt langer dan 100 milliseconden en komt daarom overeen met de vereiste voor het creëren van een wereldwijd kwantumnetwerk waarin qubits rechtstreeks tussen eindknooppunten worden geteleporteerd. "De coherentietijden die we bereiken vertegenwoordigen een verbetering van twee ordes van grootte ten opzichte van de huidige stand van de techniek, " zegt professor Rempe. De studie is gepubliceerd in Natuurfotonica vandaag.

Licht is een ideale drager voor kwantuminformatie gecodeerd op enkele fotonen, maar overdracht over lange afstanden is inefficiënt en onbetrouwbaar vanwege verliezen. Directe teleportatie tussen de eindknooppunten van een netwerk kan worden gebruikt om het verlies van kostbare kwantumbits te voorkomen. Eerst, er moet een verstrengeling op afstand tussen de knooppunten worden gecreëerd; dan, een geschikte meting aan de zenderzijde triggert de "spookachtige actie op afstand, " d.w.z. het onmiddellijke transport van de qubit naar het knooppunt van de ontvanger. Echter, het kwantumbit kan worden geroteerd wanneer het de ontvanger bereikt en moet daarom worden teruggedraaid. Hiertoe, de benodigde informatie moet klassiek van zender naar ontvanger worden gecommuniceerd. Dit kost een bepaalde tijd, waarbij de qubit bij de ontvanger moet worden bewaard. Gezien twee netwerkknooppunten op de meest afgelegen plaatsen op aarde, dit komt overeen met een tijdspanne van 66 milliseconden.

In 2011, De groep van professor Rempe heeft een succesvolle techniek gedemonstreerd voor het opslaan van een fotonische kwantumbit op een enkel atoom. Het atoom wordt in het midden van een optische holte geplaatst die wordt gevormd door twee zeer verfijnde spiegels en op zijn plaats wordt gehouden door staande lichtgolven. Een enkel foton dat het kwantumbit in een coherente superpositie van twee polarisatietoestanden draagt, begint sterk te interageren met het enkele atoom zodra het in de resonator wordt gestuurd. uiteindelijk, het foton wordt geabsorbeerd door het atoom en de kwantumbit wordt overgebracht naar een coherente superpositie van twee atomaire toestanden. De uitdaging is om de atomaire superpositie zo lang mogelijk te behouden. Bij eerdere experimenten de opslagtijd was beperkt tot enkele honderden microseconden.

"Het grootste probleem voor het opslaan van kwantumbits is het fenomeen van defasering, " legt Stefan Langenfeld uit, een promovendus bij het experiment. "Kenmerk van een kwantumbit is de relatieve fase van de golffuncties van de atomaire toestanden die coherent over elkaar heen liggen. Helaas, in praktijkexperimenten, deze faserelatie gaat in de loop van de tijd verloren, voornamelijk als gevolg van interactie met fluctuerende magnetische velden in de omgeving."

In hun huidige experiment, de wetenschappers nemen nieuwe maatregelen om de impact van die fluctuaties tegen te gaan. Zodra de informatie is overgedragen van het foton naar het atoom, de populatie van een atomaire staat wordt coherent overgebracht naar een andere staat. Dit wordt gedaan door een paar laserstralen te gebruiken om een ​​Raman-overgang te induceren. In deze nieuwe configuratie de opgeslagen qubit is 500 keer minder gevoelig voor schommelingen in het magnetische veld.

Voor het ophalen van de opgeslagen fotonische kwantumbit, de Raman-overgang wordt omgekeerd. Voor een opslagtijd van 10 milliseconden, de overlap van het opgeslagen foton met het opgehaalde foton is ongeveer 90%. Dit betekent, dat alleen al de overdracht van de atomaire qubit naar een minder gevoelige toestandsconfiguratie de coherentietijd met een factor 10 verlengt. Een andere factor 10 werd verkregen door een zogenaamde "spin-echo" toe te voegen aan de experimentele reeks. Hier, de populatie van de twee atomaire toestanden die voor opslag worden gebruikt, wordt in het midden van de opslagtijd verwisseld. "De nieuwe techniek stelt ons in staat om de kwantumaard van het opgeslagen bit gedurende meer dan 100 milliseconden te behouden, " zegt Matthias Körber, een promovendus bij het experiment. "Hoewel een beoogd wereldwijd kwantumnetwerk dat veilig en betrouwbaar transport van kwantuminformatie mogelijk maakt, nog steeds veel onderzoek vereist, de langdurige opslag van kwantumbits is een van de belangrijkste technologieën en we geloven dat de huidige verbeteringen ons een belangrijke stap dichter bij de realisatie ervan zullen brengen."