Onderzoekers van Laboratoire Kastler Brossel (LKB) in Parijs hebben een belangrijke barrière doorbroken in de prestaties van kwantumgeheugen. Hun werk heeft de eerste veilige opslag en het ophalen van kwantumbits mogelijk gemaakt.

Natuurkundigen bij LKB hebben de efficiëntie van optische qubit-opslag meer dan verdubbeld - van 30 procent tot bijna 70 procent - waardoor veilige opslag en ophalen mogelijk is. Kwantumgeheugen is essentieel voor toekomstige kwantumnetwerken. De mogelijkheid om kwantumbits te synchroniseren heeft toepassingen in langeafstandscommunicatieprotocollen voor kwantum of computeralgoritmen. Met een efficiëntie van meer dan 50 procent, kwantumopslag maakt nu protocolbeveiliging mogelijk.

"De bereikte efficiëntie kan de schaalbaarheid van het kwantumnetwerk vergroten en maakt ook de weg vrij voor geavanceerde taken waarbij de efficiëntie een cruciale rol speelt, zoals in certificeringsprotocollen of onvervalsbaar kwantumgeld, " zegt dr. Kun Huang, een postdoctoraal fellow en een hoofdauteur van de studie. "Dit apparaat kan nu de kern vormen van veel uitdagende onderzoeken voor kwantumnetwerken."

In de afgelopen jaren, kwantumgeheugen is geïmplementeerd in een verscheidenheid aan materialen, zoals ionen, kristallen en koude atomen, waarmee de interactie tussen de informatiedrager kan worden gecontroleerd, meestal een foton, en een fysiek opslagmedium. Echter, geen enkel geheugen heeft tot nu toe een qubit kunnen opslaan en ophalen met een succespercentage van meer dan 30 procent.

In het online nummer van 25 januari van Natuurcommunicatie , Prof. Julien Laurat en zijn team bij de LKB, onderdeel van Sorbonne University en het CNRS, meldden dat ze optische qubits hebben opgeslagen met een recordefficiëntie van 70 procent, met behoud van een trouw aan de invoer-qubit van meer dan 99 procent.

"We selecteerden een aantal belangrijke elementen en waren voor het eerst in staat om ze te combineren in een enkele opstelling. Dit werk was de sleutel tot het bereiken van de hoogste efficiëntie tot nu toe voor de opslag en uitlezing van een optische qubit, " zegt Pierre Vernaz-Gris, een voormalig promovendus die het experiment uitvoerde en een van de twee hoofdauteurs van het artikel.

Het experiment omvat de omzetting van een fotonische qubit in een atomaire excitatie van lasergekoelde cesiumatomen. Met het protocol van elektromagnetisch geïnduceerde transparantie, een controlelaserstraal maakt het medium transparant en vertraagt ​​het invallende signaallicht dat de informatie draagt. Wanneer het signaal zich in het ensemble bevindt en de controlestraal is uitgeschakeld, de informatie wordt omgezet in een collectieve excitatie van de atomen, die wordt opgeslagen totdat de controlestralen weer worden ingeschakeld.

Deze techniek, gemasterd bij LKB, is de afgelopen jaren al gebruikt voor experimenten met kwantumgeheugen, maar de efficiëntie van het proces hangt sterk af van het aantal atomen dat bij de interactie betrokken is. Het team van Laurat maakte daarom een ​​zeer langgerekte wolk van ultrakoude atomen (bijna drie centimeter lang), die efficiënte opslag mogelijk maakte. De doorbraak kwam toen het onderzoeksteam ruimtelijke multiplexing van de gecomprimeerde atoomwolk kon doen. De LKB slaagt erin om zowel efficiënte opslag als ruimtelijke multiplexing gelijktijdig te verkrijgen, naast een hoge signaal-ruisverhouding.

Deze demonstratie volgt op andere werken die de groep van Laurat de afgelopen jaren heeft gedaan, inclusief de realisatie van een kwantumgeheugen met meerdere vrijheidsgraden of de eerste demonstratie van gestopt licht in een optische vezel.