En ny metod för att realisera högeffektiva, högdimensionella kvantminnen

Schematic experimental setup. The qudit signal encoded in POV mode via SLM 1 and lens L1 is mapped into the atomic ensemble for subsequent storage. Here, the signal and control fields are both circularly polarized (σ+), and the control field is beam expanded to have a waist of 4 mm to completely cover the signal field at the center of medium. Credit: Dong et al, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.240801
Schematic experimental setup. The qudit signal encoded in POV mode via SLM 1 and lens L1 is mapped into the atomic ensemble for subsequent storage. Here, the signal and control fields are both circularly polarized (σ+), and the control field is beam expanded to have a waist of 4 mm to completely cover the signal field at the center of medium. Credit: Dong et al, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.240801

Många fysiker och ingenjörer har försökt utveckla högeffektiv kvantteknik som kan utföra liknande funktioner som konventionell elektronik med hjälp av kvantmekaniska effekter. Detta inkluderar högdimensionella kvantminnen, lagringsenheter med större informationskapacitet och motståndskraft mot brus än tvådimensionella kvantminnen.

Hittills har det varit svårt att utveckla dessa högdimensionella minnen, och de flesta försök har inte gett tillfredsställande effektivitet. I en artikel som publicerats i Physical Review Letters har ett forskarlag vid University of Science and Technology of China och Hefei Normal University nyligen presenterat en metod för att realisera ett högeffektivt 25-dimensionellt minne baserat på kalla atomer.

”Vår grupp har använt orbitalvinkelmomentet i rymdkanalen för att studera högdimensionell kvantlagring och har samlat på sig en mängd forskningserfarenheter och teknik”, säger Dong Sheng Ding, medförfattare till artikeln, till Phys.org. ”Att uppnå högdimensionell och högeffektiv kvantlagring har alltid varit vårt mål.”

I sina tidigare studier fann Ding och hans kollegor att de unika egenskaperna hos ett rumsligt mönster som kallas det perfekta optiska vortexfältet skulle kunna vara särskilt fördelaktiga för utvecklingen av högdimensionella kvantminnen. Detta inspirerade dem att utnyttja den modeoberoende interaktionen mellan ljus och materia som är förknippad med detta mönster för att realisera högdimensionell och effektiv kvantlagring.

”Den grundläggande principen för vår lagringsenhet bygger på det elektromagnetiskt inducerade transparensfenomenet, som är växelverkan mellan ljus och materia”, förklarade Ding. ”Enkelt uttryckt saktas signalfotonerna ner till nollhastighet i mediet och lagras under en tidsperiod. Sedan kan den lagrade informationen i signalfotonerna hämtas av kontrolljuset.”

Det kvantsystem som forskarna har skapat består av signalfotoner, en kontrolljusstråle, en kall atomensemble av rubidium som fungerar som lagringsmedium och en spatial ljusmodulator som kodar och avkodar högdimensionell kvantinformation. Teamets minne kodar in högdimensionell information i signalfotonerna, vilket i slutändan möjliggör högdimensionell lagring av information i mediet.

”Före vårt arbete var effektiva kvantminnen begränsade till tvådimensionella kvantsystem för lagring”, säger Ding. ”Fördelen med vårt arbete är att vi utökar lagringsdimensionen från två till 25, vilket gör det möjligt att skapa ett högdimensionellt minne som fungerar i ett högdimensionellt Hilbert-rum. Detta ökar inte bara minneskapaciteten och den överförbara kapaciteten för kvantkommunikation utan har också potentiella konsekvenser för feltoleranta kvantberäkningar.”

I inledande tester visade forskarna att deras kvantminne kan lagra 25-dimensionella högdimensionella tillstånd. Men deras system kan också lagra godtyckliga högdimensionella tillstånd som sträcker sig från 1 till 25 dimensioner (dvs. inklusive 3-dimensionella, 5-dimensionella, 10-dimensionella tillstånd och så vidare).

”Våra resultat visar att vårt minne är kompatibelt med programmerbara högdimensionella kvanttillstånd i intervallet 1 till 25 dimensioner”, säger Ding. ”Dessutom har vi teoretiskt analyserat skalbarheten hos vårt minnes dimensionalitet. Genom att ytterligare optimera designen av den optiska vägen kan vi uppnå effektiv lagring av upp till 100 eller ännu högre dimensionella tillstånd, vilket visar de unika fördelarna med vårt högdimensionella lagringssystem.”

Det senaste arbetet av Ding och hans kollegor introducerade en ny mycket lovande metod för att uppnå effektiv högdimensionell kvantlagring. I framtiden kan detta tillvägagångssätt användas för att skapa olika högdimensionella kvantminnen, vilket i sin tur kan bidra till att förverkliga andra kvantteknologier, såsom högdimensionella kvantrepeatrar.

”Genom vårt tillvägagångssätt är det möjligt att realisera ett praktiskt högdimensionellt kvantminne”, tillade Ding. ”I framtiden kommer vi att etablera högdimensionella kvantrepeatrar med hjälp av högdimensionella kvantminnen, vilket möjliggör högdimensionell kvantkommunikation mellan två eller flera avlägsna kvantnoder.”

Ytterligare information: Ming-Xin Dong et al, Highly Efficient Storage of 25-Dimensional Photonic Qudit in a Cold-Atom-Based Quantum Memory, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.240801

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.