Los fotones individuales son portadores ideales de información cuántica, especialmente porque son rápidos, apenas interactúan con el entorno o entre sí, y la infraestructura a gran escala para su distribución ahora está ampliamente disponible.
Ahora, antes de que las redes puedan convertirse realmente en cuánticas, se necesitan memorias cuánticas adecuadas para fotones individuales. Es necesario para todo, desde la comunicación del búfer hasta la sincronización de las operaciones del procesador. Idealmente, estas memorias deberían ser rápidas, eficientes y simples, operando cerca de la temperatura ambiente sin la necesidad de tecnología compleja como la criogenia o el vacío ultraalto.
En un estudio reciente, investigadores de Universidad de Basilea en el grupo del Prof. Philipp Treutlein ahora ha desarrollado una memoria cuántica que se basa en un gas atómico dentro de una celda de vidrio.
Los átomos no necesitan refrigeración especial, lo que hace que la memoria sea fácil de producir y versátil, incluso para aplicaciones satelitales. Además, los investigadores se dieron cuenta de una fuente única de fotones que les permitió probar la calidad y el tiempo de almacenamiento de la memoria cuántica. Sus resultados fueron publicados recientemente en la revista científica PRX Quantum.
«En nuestro trabajo, demostramos el almacenamiento y la recuperación de un solo fotón de gran ancho de banda en una plataforma a temperatura ambiente, que consta de una fuente de un solo fotón basada en la conversión descendente paramétrica espontánea (SPDC) y una memoria cuántica correspondiente en un vapor atómico caliente». . Menciones de estudio.
Átomos calientes en celdas de vapor
«La idoneidad de los átomos calientes en las celdas de vapor para las memorias cuánticas se ha investigado durante los últimos veinte años», dice Gianni Buser, quien trabajó en el experimento como Ph.D. alumno. «Normalmente, sin embargo, se utilizaron rayos láser atenuados y, por lo tanto, luz clásica». A la luz clásica, el número de fotones que llegan a la celda de vapor en un período dado sigue una distribución estadística; en promedio es un fotón, pero a veces pueden ser dos, tres o ninguno.
Habilitación de la memoria cuántica en el momento adecuado
Para probar la memoria cuántica con «luz cuántica», es decir, siempre con precisión un fotón, Treutlein y sus compañeros de trabajo desarrollaron una fuente dedicada de un solo fotón que emite exactamente un fotón a la vez. El instante en que esto sucede es anunciado por un segundo fotón, que siempre se envía simultáneamente con el primero. Esto permite que la memoria cuántica se active en el momento adecuado.
Luego, el fotón único se dirige a la memoria cuántica, donde, con la ayuda de un rayo láser de control, el fotón hace que más de mil millones de átomos de rubidio asuman el llamado estado de superposición de dos posibles niveles de energía de los átomos.
El fotón mismo desaparece en el proceso, pero la información contenida en él se transforma en el estado de superposición de los átomos. Un breve pulso de control láser luego puede leer esa información después de un cierto tiempo de almacenamiento y convertirla nuevamente en un fotón.
Reducción del ruido de lectura
“Hasta ahora, un problema crítico ha sido el ruido: luz adicional que se produce durante la lectura y que puede comprometer la calidad de los fotones”, explica Roberto Mottola, otro Ph.D. estudiante en el laboratorio de Treutlein. Usando algunos trucos, los físicos pudieron reducir este ruido lo suficiente como para que, después de tiempos de almacenamiento de varios cientos de nanosegundos, la calidad del fotón único siguiera siendo alta.
«Estos tiempos de almacenamiento no son muy largos, y en realidad no los hemos optimizado para este estudio», dice Treutlein, «pero ya son cien veces más largos que la duración del pulso de un solo fotón almacenado». Esto significa que la memoria cuántica desarrollada por los investigadores de Basilea ya se puede utilizar para aplicaciones interesantes. Por ejemplo, puede sincronizar piezas únicas producidas al azar fotonesque luego se puede utilizar en diversas aplicaciones de información cuántica.
Características del estudio
Los investigadores han informado sobre el almacenamiento y la recuperación de fotones individuales en una memoria cuántica de celda de vapor atómico en el estado fundamental. Sus memoria El esquema suprime el ruido de lectura explotando las reglas de selección de polarización en la estructura atómica hiperfina y operando en un ancho de banda mucho mayor que la tasa de decaimiento radiativo del estado excitado.
Conectan la memoria atómica con una fuente de fotón único basada en la conversión descendente paramétrica mejorada por cavidad espontánea (SPDC), que construyeron para este propósito con características de funcionamiento y rendimiento mejoradas en comparación con su trabajo anterior.
Los fotones individuales de esta fuente se almacenan en la memoria atómica y se recuperan con estadísticas de número de fotones decididamente no clásicas, lo que abre muchas otras posibilidades para experimentos de redes cuánticas de gran ancho de banda en un sistema a temperatura ambiente.
A través de simulaciones en el estudio, establecieron una hoja de ruta para mejoras futuras que simultáneamente lograrán una eficiencia de vanguardia.
Referencia de la revista
- Almacenamiento de un solo fotón en una memoria cuántica de celda de vapor de estado fundamental; Gianni Buser, Roberto Mottola, Björn Cotting, Janik Wolters y Philipp Treutlein. PRX Quantum 3, 020349 DOI: 10.1103/PRXQuantum.3.020349
