Kwantumcomputers, die lichtdeeltjes (fotonen) gebruiken in plaats van elektronen om gegevens te verzenden en te verwerken, houdt de belofte in van een nieuw tijdperk van onderzoek waarin de tijd die nodig is om levensreddende medicijnen en nieuwe technologieën te realiseren aanzienlijk zal worden verkort. Fotonen zijn veelbelovende kandidaten voor kwantumberekening omdat ze zich over lange afstanden kunnen voortplanten zonder informatie te verliezen. maar wanneer ze in materie worden opgeslagen, worden ze breekbaar en vatbaar voor decoherentie. Nu onderzoekers met het Photonics Initiative bij het Advanced Science Research Center (ASRC) bij The Graduate Center, CUNY heeft een nieuw protocol ontwikkeld voor het opslaan en vrijgeven van een enkel foton in een ingebedde eigentoestand - een kwantumtoestand die vrijwel niet wordt beïnvloed door verlies en decoherentie. Het nieuwe protocol, gedetailleerd in het huidige nummer van optiek , heeft tot doel de ontwikkeling van kwantumcomputers te bevorderen.

"Het doel is om afzonderlijke fotonen op aanvraag op te slaan en vrij te geven door tegelijkertijd de stabiliteit van gegevens te waarborgen, " zei Andrea Ali, oprichter en directeur van het ASRC Photonics Initiative en Einstein Professor of Physics aan The Graduate Center. "Ons werk toont aan dat het mogelijk is om een ​​enkel foton in een open holte op te sluiten en te bewaren en het daar te laten blijven totdat het door een ander foton wordt gevraagd om zich voort te planten."

Het onderzoeksteam gebruikte kwantumelektrodynamische technieken om hun theorie te ontwikkelen. Ze onderzoeken een systeem dat bestaat uit een atoom en een holte, waarvan de laatste gedeeltelijk open is en daarom normaal gesproken licht dat in het systeem is opgesloten, naar buiten laat lekken en snel verloren gaat. Het onderzoeksteam toonde aan, echter, dat onder bepaalde omstandigheden destructieve interferentieverschijnselen lekkage kunnen voorkomen en ervoor kunnen zorgen dat een enkel foton voor onbepaalde tijd in het systeem wordt gehost. Deze ingebedde eigentoestand kan zeer nuttig zijn voor het opslaan van informatie zonder degradatie, maar het gesloten karakter van deze beschermde staat vormt ook een barrière voor prikkels van buitenaf, zodat ook losse fotonen niet in het systeem kunnen worden geïnjecteerd. Het onderzoeksteam kon deze beperking overwinnen door het systeem tegelijkertijd te prikkelen met twee of meer fotonen.

"We hebben een systeem voorgesteld dat fungeert als een gesloten doos wanneer het wordt opgewonden door een enkel foton, maar het gaat heel efficiënt open als we het raken met twee of meer fotonen, " zei Michele Cotrufo, eerste auteur van het artikel en een postdoctoraal onderzoeker bij het ASRC Photonics Initiative. “Onze theorie laat zien dat twee fotonen efficiënt in het gesloten systeem kunnen worden geïnjecteerd. een foton zal verloren gaan en de andere zal worden opgesloten wanneer het systeem sluit. Het opgeslagen foton heeft het potentieel om voor onbepaalde tijd in het systeem te worden bewaard."

In realistische systemen, extra onvolkomenheden zouden perfecte opsluiting van fotonen voorkomen, maar de berekeningen van het onderzoeksteam toonden aan dat hun protocol beter presteert dan eerdere oplossingen op basis van een enkele holte.

De auteurs toonden ook aan dat het opgeslagen aangeslagen foton later op verzoek kan worden vrijgegeven door een tweede puls van fotonen te sturen.

De bevinding van het team heeft het potentieel om kritieke uitdagingen voor kwantumcomputing op te lossen, inclusief het on-demand genereren van verstrengelde fotonische toestanden en kwantumgeheugens. De groep onderzoekt nu wegen om hun theoretische werk experimenteel te verifiëren.