Om grote kwantumnetwerken te creëren, onderzoekers zullen eerst efficiënte kwantumrepeaters moeten ontwikkelen. Een belangrijk onderdeel van deze repeaters zijn kwantumgeheugens, die de kwantummechanische equivalenten zijn van meer conventionele computergeheugens, zoals willekeurig toegankelijke geheugens (RAM).

Ideaal, een kwantumgeheugen moet informatie voor langere tijd kunnen vasthouden, ware kwantumtoestanden opslaan, gegevens efficiënt uitlezen en werken op telecommunicatiegolflengten met weinig verlies. Hoewel onderzoeksteams grote vooruitgang hebben geboekt bij de ontwikkeling van kwantumgeheugens, geen van de tot nu toe voorgestelde oplossingen heeft aan al deze eisen tegelijk kunnen voldoen.

Met dit in gedachten, onderzoekers van de Technische Universiteit Delft (TU Delft) wilden een nieuw mechanisch kwantumgeheugen ontwikkelen met voldoende lange opslagtijden, een hoge uitleesefficiëntie, en het vermogen om op telecomgolflengten te werken. Het geheugen dat ze bedachten, gepresenteerd in een paper gepubliceerd in Natuurfysica , uiteindelijk de praktische implementatie mogelijk maken van mechanische systemen met kwantumeffecten die in hun eerdere werken zijn ontwikkeld.

"We werken al een aantal jaren aan het aantonen van kwantumeffecten van mechanische systemen, en zijn behoorlijk succesvol geweest in het realiseren van verschillende kwantumtoestanden, dus we hebben ze echt in de richting van een kwantuminformatieverwerkingsrichting geduwd, "Simon Groblacher, hoogleraar aan de TU Delft, wiens onderzoeksgroep het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Om sommige van deze apparaten te gebruiken voor de verwerking van kwantuminformatie, echter, één vuist moet aantonen dat ze kunnen worden gebruikt om een ​​kwantumrepeater te bouwen en het belangrijkste onderdeel van een kwantumrepeater is een kwantumgeheugen."

Toen ze aan hun kwantumgeheugen begonnen te werken, Gröblacher en zijn collega's waren zich ervan bewust dat de mechanische resonatoren achter sommige van hun apparaten een zeer lange levensduur konden ondersteunen. Ze wilden ze dus testen om te zien welke bewaartijden ze konden ondersteunen, terwijl ze ook hun samenhang onderzoeken (d.w.z. hoe snel ze zouden defaseren).

"We hebben een systeem ontworpen met een levensduur van enkele milliseconden, gebaseerd op ons eerdere werk, testte het vervolgens en ontdekte dat de opslagtijd inderdaad ongeveer twee milliseconden was., " zei Gröblacher. "Als tweede stap, we moesten verifiëren dat kwantumtoestanden en hun fase-informatie gedurende deze tijd bewaard waren gebleven. Om dit te doen, we creëerden een superpositie van het mechanische systeem en keken hoe de fase in de superpositie in de loop van de tijd zou evolueren."

Toen de onderzoekers hun kwantumgeheugen voor het eerst evalueerden, ze ontdekten dat de superpositietoestand sneller verviel dan de totale levensduur. Dit was verre van een verrassend resultaat, omdat veel eerder ontwikkelde systemen hetzelfde vervalpatroon vertoonden. Gröblacher en zijn collega's wilden deze bevinding verder onderzoeken om de mechanismen achter deze korte decoherentietijd beter te begrijpen.

"Het algemene doel van onze studie was om aan te tonen dat mechanica in feite kan worden gebruikt als een kwantumgeheugen en we hebben dit bereikt, " zei Gröblacher. "Opmerkelijk, het is de eerste keer dat iemand dit heeft laten zien."

Het door Gröblacher en zijn collega's bedachte kwantumgeheugen heeft verschillende voordelige eigenschappen. Een van de belangrijkste is dat het volledig engineerbaar is, wat betekent dat de optische golflengten waarop het werkt selecteerbaar zijn, aangezien de optische en mechanische resonanties van het systeem volledig kunstmatig zijn. De onderzoekers hebben ze ontworpen met behulp van een computer en vervolgens het apparaat dienovereenkomstig gefabriceerd.

"Veel kwantumsystemen gebruiken typisch natuurlijk voorkomende resonantie, zoals een atomaire of een zeldzame-aarde-resonantie, die hen aan bepaalde golflengten bond, " zei Gröblacher. "De onze, anderzijds, is volledig ontwikkeld, zodat we kunnen kiezen waar te werken. In onze studie, we kozen voor 1550 nanometer, omdat we wilden dat ons systeem zou werken in de verliesarme telecommunicatiebandgolflengte."

Hoewel veel eerder ontwikkelde kwantumgeheugens veelbelovende resultaten behaalden, zeer weinig van hen waren in staat om te werken op telecomgolflengten (ongeveer 1550 nanometer), die in wezen de golflengten zijn waarop alle telecommunicatie over lange afstanden plaatsvindt. Bovendien, herinneringen die op deze golflengten konden werken, waren ofwel erg complex of hadden een extreem korte levensduur.

"We waren in staat om aan te tonen dat ons geheugen een bevredigende levensduur en coherentie van het geheugen heeft, terwijl met succes de superpositiestatus wordt gecreëerd, "Zei Gröblacher. "Andere bestaande systemen met superpositietoestanden van mechanica waren heel anders en we waren de eersten die aan de belangrijkste kwantumgeheugenvereisten voldeden met een opto-mechanisch systeem."

Het door Gröblacher en zijn collega's gecreëerde kwantumgeheugen is nog steeds een proof of concept, maar de prestaties zijn veelbelovend. In hun toekomstige studies, de onderzoekers willen graag beter begrijpen waarom de defasering van een kwantumtoestand sneller gebeurt dan zijn levensduur om dit effect te verminderen.

"We willen uitzoeken hoe we zo'n korte coherentie kunnen vermijden, misschien door een ander ontwerp dat ons zou kunnen helpen de onderliggende microscopische mechanismen te begrijpen, " zei Gröblacher. "Bovendien, we zijn van plan om de algehele efficiëntie van ons geheugen te verhogen (d.w.z. hoe efficiënt kan het een toestand schrijven en uitlezen)."

In de komende paar jaar, Gröblacher en zijn collega's hopen dat ze de prestaties van hun kwantumgeheugen verder kunnen verbeteren om de praktische implementatie ervan te vergemakkelijken. Bovendien, het optische schema dat ze voorstelden, zou de ontwikkeling van andere kwantumgeheugencomponenten kunnen inspireren. Het uiteindelijke doel van de onderzoekers is om het door hen gecreëerde kwantumgeheugen te gebruiken om grote kwantumnetwerken mogelijk te maken.

"De belangrijkste toepassing voor ons geheugen zou zijn als onderdeel van een kwantumnetwerk of kwantumrepeater, "Gröblacher zei. "De mechanica ervan zou kunnen fungeren als een geheugenelement dat verbindingen met andere kwantumsystemen mogelijk maakt, zoals supergeleidende qubits, die erg goed zijn in het uitvoeren van quantum computing-verwerking. We denken dat het heel interessant zou zijn om ons systeem als hybride kwantumsysteem in zo'n netwerk te gebruiken."

© 2020 Wetenschap X Netwerk