Sirupohjainen kvanttimuisti fotonien tallennukseen

Erittäin hauraille kvantti-informaatiojärjestelmille kyky tallentaa kvantti-informaatiota on elintärkeää – mutta myös haastavaa.

Nykyisin tallennus tehdään jopa senttimetrin kokoisilla mikrosiruilla – matka, jonka valo kattaa muutamassa biljoonasosassa sekunnissa. Fotonien tallennus mikrosekunnin ajaksi merkitsisi valtavaa harppausta eteenpäin kvanttisirujen ominaisuuksissa.

Illinoisin yliopiston Urbana-Champaignin Grainger College of Engineeringin uusi tutkimus vastaa tähän haasteeseen kehittämällä integroidun nanofotonisen alustan fotonien pitkäaikaiseen varastointiin.

Fysiikan professori Elizabeth Goldschmidtin johtama tutkimus hyödyntää spektraalisen aukonpolton monipuolisuutta ja ohutkalvoisen litiumniobaatin skaalautuvuutta, mikä antaa sille potentiaalia skaalautuvaan valmistukseen, jolla on vaikutuksia sekä klassiseen että kvanttifotoniikkaan.

”Kukaan muu ei ole varastoinut valoa sirulle tällaisella alustalla, jolla on tämä skaalautuvuuden potentiaali”, sanoo Priyash Barya. ”Tekniikkamme on ainoa tapa tehdä tämä, ja teemme sen yhdellä johtavista kvanttioptiikan ja kvantti-informaatiojärjestelmien alustoista. Se on futuristinen alusta, jolla on teollinen skaalautuvuus.”

Fotonit absorboituvat helposti aineeseen, ja pidemmät matkat lisäävät absorption todennäköisyyttä. Fotoni ei todennäköisesti selviä kvanttiherkkien viiveiden vaatimista matkoista, mikä tekee perinteisestä fotonisesta tallennuksesta erittäin tehotonta.

Vaihtoehtoisesti fotonit voidaan kytkeä erittäin koherentteihin atomeihin pidempää tallennusta varten. Tällaisten atomien integrointi skaalautuviin nanofotonisiin alustoihin on kuitenkin suurelta osin saavuttamattomissa.

”Pitkät viiveet ovat merkittävä ongelma kvantti-informaation prosessoinnissa”, sanoo Daren Chen. ”Halusimme osoittaa tähän erittäin lupaavan lähestymistavan nanofotonisella alustallamme.”

Illinoisin tutkijat valmistivat nanoskaalan aaltojohteen, joka oli valmistettu ohutkalvoisesta litiumniobaatista (TFLN), materiaalista. Se tunnetaan voimakkaasta valon pidättämisestä, pienestä optisesta häviöstään ja kiekkotason integroinnistaan. Nyt se seostettiin erbiumatomeilla, joilla on toivotut kvanttiominaisuudet.

Goldschmidt näkee uraauurtavan alustan askeleena kohti kvanttimuistien integrointia skaalautuviin, sirupohjaisiin kvanttitietokoneisiin ja tietoliikenneverkkoihin. Rakenteen käytännön version on osoitettava parempaa hakutehokkuutta ja pidempiä tallennusaikoja – ryhmä aikoo pyrkiä näihin ponnisteluihin parantamalla taajuuskampaansa ja kokeilemalla erilaisia erbium-isotooppeja, jotka ovat vähemmän kohinaa läpäiseviä. Goldschmidtin laboratorio tutkii myös tekniikkansa muita sovelluksia.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttimuisti yksittäisille fotoneille

Onko muistia vai ei

Hitaan valon alusta sirutason fotoniikkatekniikalle