Het opkomende domein van parallelle kwantuminformatieverwerking opent nieuwe mogelijkheden voor nauwkeurige metingen, communicatie en beeldvorming. Nauwkeurige besturing van meerdere opgeslagen fotonen maakt een efficiënte verwerking van deze subtiele informatie in grote hoeveelheden mogelijk. In het Quantum Memories Laboratory van de Faculteit Natuurkunde, Universiteit van Warschau, een groep lasergekoelde atomen is gebruikt als geheugen dat tot 665 kwantumtoestanden van licht tegelijkertijd kan opslaan. De experimentele resultaten zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Elke informatieverwerkingstaak vereist geheugen. Kwantumgeheugen is in staat om kwantumtoestanden op te slaan en on-demand op te halen. De belangrijkste parameter van een dergelijk geheugen is de capaciteit, het aantal qubits (kwantumbits) dat het geheugen effectief kan verwerken. Gelijktijdige werking op veel qubits is een sleutel tot efficiënte parallelle kwantumberekening, nieuwe mogelijkheden bieden op het gebied van beeldvorming of communicatie.

Het on-demand genereren van veel fotonen blijft een belangrijke uitdaging voor experimentele groepen die zich bezighouden met kwantuminformatie. Voor een veelgebruikte methode voor het multiplexen van single-photon emitters in één netwerk, de complexiteit van het systeem groeit samen met de voordelen ervan. Met behulp van kwantumgeheugen, onderzoekers kunnen binnen enkele seconden in plaats van jaren een groep van een dozijn fotonen genereren. Ruimtelijke multiplexing met behulp van een enkel-fotongevoelige camera onderscheidt zich als een effectieve manier om tegen lage kosten een hoge capaciteit te verkrijgen.

In het Quantum Memories Laboratory (Faculteit Natuurkunde, Universiteit van Warschau), onderzoekers hebben zo'n geheugen met hoge capaciteit gebouwd. Het systeem heeft een wereldrecord voor de grootste capaciteit, aangezien andere experimenten slechts tientallen onafhankelijke lichttoestanden hebben benut. Het hart van de opstelling bestaat uit een zogenaamde magneto-optical trap (MOT). Een groep rubidium-atomen in een glazen vacuümkamer wordt opgevangen en gekoeld door lasers in aanwezigheid van een magnetisch veld tot ongeveer 20 micro-Kelvin. De geheugenlicht-atomen-interface is gebaseerd op niet-resonante lichtverstrooiing. Tijdens het inschrijfproces de wolk van atomen wordt verlicht door een laserstraal, resulterend in fotonverstrooiing.

Elk verstrooid foton wordt in een willekeurige richting uitgezonden en geregistreerd op een gevoelige camera. De informatie over verstrooide fotonen wordt opgeslagen in het atomaire ensemble in de vorm van collectieve excitaties - spingolven die op verzoek kunnen worden opgehaald als een andere groep fotonen. Door correlaties te meten tussen emissiehoeken van fotonen die zijn gecreëerd tijdens het inschrijf- en uitleesproces, de onderzoekers bepaalden dat het geheugen, inderdaad, quantum, en dat de eigenschappen van de gegenereerde lichttoestand niet kunnen worden beschreven door klassieke optica. Het prototype kwantumgeheugen van de Faculteit der Natuurkunde van de Universiteit van Warschau neemt nu twee optische tabellen en functies met behulp van negen lasers en drie besturingscomputers.