Veel natuurkundigen en ingenieurs hebben geprobeerd zeer efficiënte kwantumtechnologieën te ontwikkelen die vergelijkbare functies kunnen vervullen als conventionele elektronica, waarbij gebruik wordt gemaakt van kwantummechanische effecten. Dit omvat hoogdimensionale kwantumgeheugens, opslagapparaten met een grotere informatiecapaciteit en ruisbestendigheid dan tweedimensionale kwantumgeheugens.

Tot nu toe is het ontwikkelen van deze hoogdimensionale herinneringen een uitdaging gebleken, en de meeste pogingen hebben geen bevredigende efficiëntie opgeleverd. In een artikel gepubliceerd in Physical Review Letters heeft een onderzoeksteam van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China en Hefei Normal University onlangs een aanpak geïntroduceerd om een ​​zeer efficiënt 25-dimensionaal geheugen te realiseren op basis van koude atomen.

"Onze groep heeft de orbitale impulsmomentmodus in het ruimtekanaal gebruikt om hoogdimensionale kwantumopslag te bestuderen en heeft een schat aan onderzoekservaring en technologie verzameld", vertelde Dong Sheng Ding, co-auteur van het artikel, aan Phys.org. "Het bereiken van hoogdimensionale en uiterst efficiënte kwantumopslag is altijd ons doel geweest."

In hun eerdere studies ontdekten Ding en zijn collega's dat de singuliere eigenschappen van een ruimtelijk patroon dat bekend staat als het perfecte vortex optische veld bijzonder voordelig kunnen zijn voor de ontwikkeling van hoogdimensionale kwantumgeheugens. Dit inspireerde hen om de modus-onafhankelijke interactie tussen licht en materie die met dit patroon gepaard gaat, te benutten om hoogdimensionale en efficiënte kwantumopslag te realiseren.

"Het basisprincipe van ons opslagapparaat is gebaseerd op het elektromagnetisch geïnduceerde transparantiefenomeen, namelijk de interactie tussen licht en materie", legt Ding uit. "In eenvoudige bewoordingen worden de signaalfotonen in het medium afgeremd tot nulsnelheid en gedurende een bepaalde periode opgeslagen. Vervolgens kan de opgeslagen informatie van signaalfotonen worden opgehaald door het controlelicht."

Het door de onderzoekers gecreëerde kwantumsysteem bestaat uit signaalfotonen, een controlelichtstraal, een Rubidium koud atomair ensemble dat dient als opslagmedium en een ruimtelijke lichtmodulator die hoogdimensionale kwantuminformatie codeert en decodeert. Het geheugen van het team codeert hoogdimensionale informatie over de signaalfotonen, waardoor uiteindelijk de hoogdimensionale opslag van informatie in het medium wordt gerealiseerd.

"Vóór ons werk was efficiënt kwantumgeheugen beperkt tot tweedimensionale opslagkwantumsystemen", zei Ding. "Het voordeel van ons werk ligt in het uitbreiden van de opslagdimensie van twee naar 25, waardoor de voorbereiding van hoogdimensionaal geheugen mogelijk wordt dat in de hoogdimensionale Hilbertruimte werkt. Dit vergroot niet alleen de capaciteit van het geheugen aanzienlijk, maar vergroot ook de overdraagbare capaciteit. van kwantumcommunicatie, maar heeft ook potentiële implicaties voor fouttolerante kwantumcomputing."

In eerste tests hebben de onderzoekers aangetoond dat hun kwantumgeheugen 25-dimensionale hoog-dimensionale toestanden kan opslaan. Hun systeem kan echter ook willekeurige hoogdimensionale toestanden opslaan, variërend van 1 tot 25 dimensies (d.w.z. inclusief driedimensionale, vijfdimensionale, tiendimensionale toestanden, enzovoort).

"Onze resultaten demonstreren de compatibiliteit van ons geheugen met programmeerbare hoog-dimensionale kwantumtoestanden in het bereik van 1 tot 25 dimensies", aldus Ding. "Bovendien hebben we de schaalbaarheid van de dimensionaliteit van ons geheugen theoretisch geanalyseerd. Door het ontwerp van het optische pad verder te optimaliseren, kunnen we efficiënte opslag van maximaal 100 of zelfs hoger-dimensionale toestanden bereiken, wat de unieke voordelen van ons hoog-dimensionale opslagschema demonstreert ."

Het recente werk van Ding en zijn collega's introduceerde een nieuwe, veelbelovende methode om efficiënte hoog-dimensionale kwantumopslag te realiseren. In de toekomst zou deze aanpak kunnen worden gebruikt om verschillende hoogdimensionale kwantumgeheugens te creëren, die op hun beurt zouden kunnen helpen andere kwantumtechnologieën te realiseren, zoals hoogdimensionale kwantumrepeaters.

"Met name door onze aanpak is het mogelijk om een ​​praktisch hoogdimensionaal kwantumgeheugen te realiseren," voegde Ding eraan toe. "In de toekomst zullen we hoogdimensionale kwantumrepeaters opzetten met behulp van hoogdimensionale kwantumgeheugens, waardoor hoogdimensionale kwantumcommunicatie tussen twee of meer afgelegen kwantumknooppunten mogelijk wordt."

Meer informatie: Ming-Xin Dong et al, Zeer efficiënte opslag van 25-dimensionale fotonische Qudit in een op koude atomen gebaseerd kwantumgeheugen, Fysieke recensiebrieven (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.240801

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

© 2024 Science X Netwerk