Kwantumgeheugens zijn een van de bouwstenen van het toekomstige kwantuminternet. Zonder hen zou het vrijwel onmogelijk zijn om kwantuminformatie over lange afstanden te verzenden en uit te breiden tot een echt kwantumnetwerk. Deze herinneringen hebben de missie om de kwantuminformatie die in een foton is gecodeerd in de vorm van qubits te ontvangen, op te slaan en vervolgens op te halen. Kwantumgeheugens kunnen worden gerealiseerd in verschillende materiële systemen, bijvoorbeeld ensembles van koude atomen of gedoteerde kristallen.

Om bruikbare herinneringen te zijn, moeten ze aan verschillende vereisten voldoen, zoals de efficiëntie, duur en multiplexing van hun opslagcapaciteit, om de kwaliteit van de kwantumcommunicatie die ze ondersteunen te garanderen. Een andere vereiste die een kwestie van veel onderzoek is geworden, is het ontwerpen van kwantumgeheugens die direct kunnen worden geïntegreerd in het glasvezelnetwerk.

In de afgelopen jaren en met de opkomst van kwantumtechnologieën is er veel werk gericht geweest om de schaalbaarheid van bestaande kwantumgeheugens te verbeteren (ze kleinere en/of eenvoudigere apparaten te maken) om hun integratie en implementatie in een echt werknetwerk te vergemakkelijken. Een dergelijke volledig geïntegreerde benadering brengt verschillende fysieke en technische hindernissen met zich mee, waaronder het vinden van een oplossing die goede coherentie-eigenschappen behoudt, een efficiënt en stabiel systeem biedt om fotonen over te brengen van optische vezels naar het kwantumgeheugen, evenals de miniaturisering van het controlesysteem van het kwantumgeheugen en zijn interface met invallend licht. Dit alles moet worden uitgevoerd terwijl hetzelfde prestatieniveau wordt bereikt als in "standaard" bulkversies van het apparaat. Dit is tot nu toe een uitdaging gebleken, en de huidige realisaties van vezelgeïntegreerde kwantumgeheugens zijn verre van wat kan worden bereikt in bulkgeheugens.

Met deze doelstellingen duidelijk, in een recent werk gepubliceerd in Science Advances ICFO-onderzoekers Jelena Rakonjac, Dario Lago-Rivera, Alessandro Seri en Samuele Grandi, onder leiding van ICREA Prof. bij ICFO Hugues de Riedmatten, in samenwerking met Giacomo Corrielli en Roberto Osellame van IFN-CNR en Margherita Mazzera van Heriot-Watt University, hebben verstrengeling kunnen aantonen tussen een vezelgeïntegreerd kwantumgeheugen en een telecommunicatiegolflengtefoton.

Een speciaal kwantumgeheugen

In hun experiment gebruikte het team een ​​kristal gedoteerd met praseodymium als hun kwantumgeheugen. Een golfgeleider werd vervolgens met een laser in het geheugen geschreven. Dit is een kanaal op micrometerschaal in het kristal dat het foton opsluit en geleidt in een krappe ruimte. Twee identieke optische vezels werden vervolgens aan beide zijden van het kristal bevestigd om een ​​directe interface te vormen tussen fotonen die kwantuminformatie dragen en het geheugen. Deze experimentele opstelling maakte een volledig glasvezelverbinding mogelijk tussen het kwantumgeheugen en een bron van fotonen.

Om te bewijzen dat dit geïntegreerde kwantumgeheugen verstrengeling kan opslaan, gebruikte het team een ​​bron van verstrengelde fotonparen waarbij het ene foton compatibel is met het geheugen, terwijl het andere zich op de telecomgolflengte bevindt. Met deze nieuwe opstelling waren ze in staat om fotonen van 2 µs tot 28 µs op te slaan en de verstrengeling van de fotonparen na opslag te behouden. Het verkregen resultaat is een grote verbetering omdat de door het team getoonde verstrengelingsopslagtijd 1000 keer langer is (drie orden van grootte) dan enig ander eerder met glasvezel geïntegreerd apparaat dat tot nu toe is gebruikt, en benadert de prestaties die zijn waargenomen in bulkkwantumgeheugens.

Dit was mogelijk dankzij het volledig geïntegreerde karakter van het apparaat, waardoor een geavanceerder besturingssysteem kon worden gebruikt dan eerdere realisaties. Ten slotte, aangezien de verstrengeling werd gedeeld tussen een zichtbaar foton dat was opgeslagen in het kwantumgeheugen en een foton op telecomgolflengten, bewees het team ook dat het systeem volledig compatibel is met de telecommunicatie-infrastructuur en geschikt is voor kwantumcommunicatie over lange afstand.

De demonstratie van dit type geïntegreerd quantumgeheugen opent veel nieuwe mogelijkheden, met name op het gebied van multiplexing, schaalbaarheid en verdere integratie. Zoals Jelena Rakonjac benadrukt, "heeft dit experiment ons veel hoop gegeven in de zin dat we ons voorstellen dat veel golfgeleiders in één kristal kunnen worden gefabriceerd, waardoor veel fotonen tegelijkertijd in een klein gebied kunnen worden opgeslagen en de mogelijkheden van de kwantumgeheugen. Aangezien het apparaat al glasvezelgekoppeld is, kan het ook gemakkelijker worden gekoppeld aan andere op glasvezel gebaseerde componenten."

Hugues de Riedmatten besluit door te stellen dat "we zeer enthousiast zijn over dit resultaat, dat veel mogelijkheden biedt voor vezelgeïntegreerde geheugens. Wat duidelijk is, is dat dit specifieke materiaal en deze manier van golfgeleiders ons in staat stellen prestaties te bereiken die dicht bij bulkgeheugens liggen. In de toekomst zullen het uitbreiden van de opslag naar spintoestanden zal het on-demand ophalen van de opgeslagen fotonen mogelijk maken en leiden tot de lange opslagtijden waar we naar streven. Dit vezelgeïntegreerde kwantumgeheugen is zeker veelbelovend voor toekomstig gebruik in kwantumnetwerken." + Verder verkennen

Onderzoekers bereiken recordverstrengeling van kwantumgeheugens