Onderzoekers van de Universiteit van Basel hebben een kwantumgeheugenelement gebouwd op basis van atomen in een kleine glazen cel. In de toekomst zouden dergelijke kwantumgeheugens in massa geproduceerd kunnen worden op een wafer.

Het is moeilijk om ons leven voor te stellen zonder netwerken zoals internet of mobiele telefoonnetwerken. In de toekomst staan ​​soortgelijke netwerken gepland voor kwantumtechnologieën die de afluistervrije overdracht van berichten met behulp van kwantumcryptografie mogelijk zullen maken en het mogelijk zullen maken om kwantumcomputers met elkaar te verbinden.

Net als hun conventionele tegenhangers hebben dergelijke kwantumnetwerken geheugenelementen nodig waarin informatie tijdelijk kan worden opgeslagen en naar behoefte kan worden gerouteerd. Een team van onderzoekers van de Universiteit van Bazel onder leiding van professor Philipp Treutlein heeft nu zo’n geheugenelement ontwikkeld, dat op microbasis kan worden vervaardigd en daardoor geschikt is voor massaproductie. Hun resultaten werden gepubliceerd in Physical Review Letters .

Fotonenopslag in glazen cellen

Lichtdeeltjes zijn bijzonder geschikt voor het verzenden van kwantuminformatie. Fotonen kunnen worden gebruikt om kwantuminformatie via glasvezelkabels, naar satellieten of naar een kwantumgeheugenelement te sturen. Daar moet de kwantummechanische toestand van de fotonen zo nauwkeurig mogelijk worden opgeslagen en na een bepaalde tijd weer worden omgezet in fotonen.

Twee jaar geleden lieten de Bazelse onderzoekers zien dat dit goed werkt met behulp van rubidiumatomen in een glazen cel. “Die glazen cel was echter met de hand gemaakt en enkele centimeters groot”, zegt postdoc dr. Roberto Mottola. "Om geschikt te zijn voor dagelijks gebruik, moeten dergelijke cellen kleiner zijn en in grote aantallen kunnen worden geproduceerd."

Dat is precies wat Treutlein en zijn medewerkers nu hebben bereikt. Om een ​​veel kleinere cel van slechts enkele millimeters te kunnen gebruiken, die ze verkregen uit de massaproductie van atoomklokken, moesten ze een paar trucjes ontwikkelen. Om ondanks de kleine omvang van de cel over voldoende rubidiumatomen te beschikken voor kwantumopslag, moesten ze de cel opwarmen tot 100° Celsius om de dampdruk te verhogen.

Bovendien stelden ze de atomen bloot aan een magnetisch veld van 1 tesla, ruim 10.000 keer sterker dan het magnetisch veld van de aarde. Dit verschoof de atomaire energieniveaus op een manier die de kwantumopslag van fotonen mogelijk maakte met behulp van een extra laserstraal. Met deze methode konden de onderzoekers fotonen ongeveer 100 nanoseconden opslaan. Vrije fotonen zouden in die tijd 30 meter hebben afgelegd.

1000 kwantumgeheugens op één enkele wafer

"Op deze manier hebben we voor het eerst een miniatuur kwantumgeheugen voor fotonen gebouwd waarvan ongeveer 1.000 kopieën parallel op één enkele wafer kunnen worden geproduceerd", zegt Treutlein.

In het huidige experiment werd opslag gedemonstreerd met behulp van sterk verzwakte laserpulsen, maar in de nabije toekomst wil Treutlein, in samenwerking met de CSEM in Neuchâtel, ook losse fotonen opslaan in de miniatuurcellen. Bovendien moet het formaat van de glascellen nog worden geoptimaliseerd, om de fotonen zo lang mogelijk op te slaan met behoud van hun kwantumtoestanden.

Meer informatie: Roberto Mottola et al, Optisch geheugen in een microgefabriceerde rubidiumdampcel, Fysieke recensiebrieven (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.260801. Op arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2307.08538

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven , arXiv

Aangeboden door Universiteit van Bazel