Forskare bygger massproducerbart miniatyrelement för kvantminne

Ljuspulser kan lagras och hämtas i glascellen, som är fylld med rubidiumatomer och bara är några millimeter stor. Kredit: Basels universitet, institutionen för fysik/Scixel
Ljuspulser kan lagras och hämtas i glascellen, som är fylld med rubidiumatomer och bara är några millimeter stor. Kredit: Basels universitet, institutionen för fysik/Scixel

Forskare vid universitetet i Basel har byggt ett kvantminneselement baserat på atomer i en liten glascell. I framtiden skulle sådana kvantminnen kunna massproduceras på en wafer.

Det är svårt att föreställa sig våra liv utan nätverk som Internet eller mobiltelefonnät. I framtiden planeras liknande nätverk för kvantteknik som kommer att möjliggöra avlyssningssäker överföring av meddelanden med hjälp av kvantkryptografi och göra det möjligt att ansluta kvantdatorer till varandra.

Liksom konventionella nätverk kräver sådana kvantnät minneselement där information kan lagras tillfälligt och dirigeras efter behov. Ett forskarlag vid universitetet i Basel under ledning av professor Philipp Treutlein har nu utvecklat ett sådant minneselement, som kan mikrofabriceras och därför är lämpligt för massproduktion. Deras resultat har publicerats i Physical Review Letters.

Lagring av fotoner i glasceller

Ljuspartiklar är särskilt lämpade för att överföra kvantinformation. Fotoner kan användas för att skicka kvantinformation genom fiberoptiska kablar, till satelliter eller in i ett kvantminneselement. Där måste fotonernas kvantmekaniska tillstånd lagras så exakt som möjligt och efter en viss tid omvandlas tillbaka till fotoner.

För två år sedan visade forskarna i Basel att detta fungerar bra med hjälp av rubidiumatomer i en glascell. ”Den glascellen var dock handgjord och flera centimeter stor”, säger postdoktor Roberto Mottola. ”För att vara lämpliga för daglig användning måste sådana celler vara mindre och kunna tillverkas i stort antal.”

Det är precis vad Treutlein och hans medarbetare nu har lyckats med. För att kunna använda en mycket mindre cell som bara mäter några millimeter, som de fick från massproduktionen av atomklockor, behövde de utveckla några knep. För att få ett tillräckligt antal rubidiumatomer för kvantlagring trots cellens ringa storlek var de tvungna att värma upp cellen till 100° C för att öka ångtrycket.

Dessutom utsatte de atomerna för ett magnetfält på 1 tesla, mer än 10 000 gånger starkare än jordens magnetfält. Detta försköt atomernas energinivåer på ett sätt som underlättade kvantlagringen av fotoner med hjälp av en extra laserstråle. Med denna metod kunde forskarna lagra fotoner i cirka 100 nanosekunder. Fria fotoner skulle ha färdats 30 meter på den tiden.

1 000 kvantminnen på en enda wafer

”På det här sättet har vi för första gången byggt ett miniatyrkvantminne för fotoner som kan tillverkas i cirka 1 000 kopior parallellt på en enda wafer”, säger Treutlein.

I det aktuella experimentet demonstrerades lagringen med hjälp av kraftigt dämpade laserpulser, men inom en snar framtid vill Treutlein, i samarbete med CSEM i Neuchatel, även lagra enstaka fotoner i miniatyrcellerna. Dessutom måste glascellernas format fortfarande optimeras så att fotonerna kan lagras så länge som möjligt samtidigt som deras kvanttillstånd bevaras.

Ytterligare information: Roberto Mottola et al, Optical Memory in a Microfabricated Rubidium Vapor Cell, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.260801. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2307.08538

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.