A Cavity-Interfaced Register of Trapped-Ion Qubits with Multi-Second Coherence

De droom van een kwantuminternet rust op een simpel maar moeilijk uitgangspunt: het verbinden van verre computers die de taal van de kwantummechanica spreken. Om een dergelijk netwerk te bouwen, hebben wetenschappers knooppunten nodig—kleine, geïsoleerde stations—die kwantuminformatie zo lang kunnen opslaan als nodig is om een bericht tussen hen te verzenden. Deze knooppunten moeten in staat zijn om een foton, een enkel lichtdeeltje, op te vangen en de verbinding die het draagt vast te houden zonder dat de informatie vervaagt. De uitdaging is dat kwantumtoestanden berucht instabiel zijn; ze hebben de neiging om bijna onmiddellijk in te storten of hun speciale eigenschappen te verliezen wanneer ze worden verstoord door hun omgeving. Voor een werkend netwerk moet het geheugen in deze knooppunten langer meegaan dan de tijd die nodig is om de volgende verbinding te maken. Als het geheugen vervaagt voordat de volgende link wordt gelegd, kan het netwerk niet groeien.

Onderzoekers aan de Universiteit van Innsbruck hebben een belangrijke stap gezet naar het oplossen van dit probleem door een nieuw type kwantumgeheugen te creëren dat informatie gedurende enkele seconden kan vasthouden. Ze gebruikten een reeks van vijf calciumionen, die enkelvoudige atomen zijn die door elektrische velden in een vacuüm worden gevangen, en plaatsten deze in een gespecialiseerde optische holte (cavity) die ontworpen is om licht op te vangen en te richten. In deze opstelling fungeert één ion als communicator, die een foton genereert dat een stukje kwantuminformatie draagt, terwijl de andere vier ionen fungeren als een geheugenbank die de verstrengeling genereert door dat co-gevangen ion op te slaan, in plaats van informatie van buitenaf te ontvangen. Het team demonstreerde dat ze de kwantumtoestand van deze geheugensystemen tot wel vijf seconden intact konden houden, een duur die vele malen langer is dan wat voorheen mogelijk was in soortgelijke holte-gebaseerde systemen. Deze prestatie bewijst dat het mogelijk is om de hoge efficiëntie van licht-materie interactie te combineren met de langetermijnstabiliteit die vereist is voor een echt kwantumnetwerk.

Het experiment begon met het koelen van de vijf calciumionen tot nabij het absolute nulpunt en het vangen van hen in een lijn. De onderzoekers gebruikten vervolgens een laser om de ionen voor te bereiden in een specifieke kwantumtoestand. Om deze toestanden te beschermen tegen de natuurlijke ruis van de omgeving, zoals kleine fluctuaties in magnetische velden, pasten ze een techniek toe genaamd dynamische ontkoppeling (dynamical decoupling). Dit houdt in dat er een reeks snelle radiofrequentie-pulsen op de ionen wordt afgevuurd, waardoor hun kwantumtoestanden effectief heen en weer worden omgeklapt op een manier die externe verstoringen opheft. Door dit te doen, verlengde het team de levensduur van de opgeslagen kwantuminformatie in de ionen. In tests waarbij geen licht werd gegenereerd, hield een enkel ion zijn toestand met een hoge getrouwheid (fidelity) gedurende vijf seconden vast. Wanneer het team alle vijf de ionen samen testte, merkten ze dat elk van hen even goed presteerde als het enkele ion en de kwantuminformatie gedurende de volledige duur behield. Dit bevestigde dat de methode werkt voor een register, of een kleine groep qubits, en niet alleen voor een enkele qubit.

De volgende stap was om te testen of dit geheugen kon overleven tijdens het proces van het daadwerkelijk creëren van een verbinding. De onderzoekers programmeerden één van de vijf ionen om een foton te genereren dat een kwantumverbinding naar een verre locatie zou dragen. Dit proces houdt in dat er een laser op het ion wordt afgevuurd om het een foton te laten uitzenden in de holte. Het team wilde zien of het genereren van dit foton, en de lasers die hiervoor nodig zijn, de kwantuminformatie in de andere vier ionen zou beschadigen. Ze herhaalden de poging tot fotongeneratie duizenden keren terwijl ze de gezondheid van de geheugenionen monitorden. Ze ontdekten dat het geheugen robuust bleef en de kwantumtoestand behield, zelfs na duizenden pogingen. De enige factor die zorgde voor de degradatie van het geheugen, was een specifiek type laserinterferentie, bekend als crosstalk, waarbij een klein beetje van het laserlicht dat bedoeld was voor de communicerende ion per ongeluk de geheugenionen raakte. Door dit effect te modelleren, lieten de onderzoekers zien dat de degradatie voorspelbaar was en beheersbaar kon worden, in plaats van een fundamentele fout in het systeem.

Misschien wel het meest opmerkelijke resultaat was het vermogen om een verbinding tussen een ion en een foton gedurende een lange tijd op te slaan. Het team genereerde een verstrengeld paar, waarbij de toestand van het ion verbonden was met de toestand van een foton, en sloeg vervolgens het deel van het ion in het geheugen op. Ze wachtten twee seconden voordat ze het ion opnieuw maten. Zelfs na deze lange vertraging bleef de link tussen het ion en het foton sterk, wat bewees dat het geheugen de verstrengeling succesvol had bewaard. Dit is een cruciale mijlpaal omdat het aantoont dat het systeem een verbinding lang genoeg kan vasthouden om complexe kwantumoperaties uit te voeren, zoals wachten op een signaal van een verre node of het uitvoeren van berekeningen voordat het volgende bericht wordt verzonden. De onderzoekers berekenden dat met bescheiden verbeteringen, zoals betere laserfocussering en periodieke koeling van de ionen, hun systeem gelijktijdig meerdere verbindingen tussen twee verre locaties zou kunnen opzetten.

Het werk identificeerde ook de specifieke limieten van de huidige opstelling. Hoewel het geheugen ongelooflijk veerkrachtig was, ontdekten de onderzoekers dat de efficiëntie van het genereren van fotonen licht afnam naarmate de ionen opwarmden door de laserpulsen. Ze bepaalden dat dit opwarmen opgelost kon worden door extra ionen aan de reeks toe te voegen om het systeem te helpen afkoelen zonder het geheugen te verstoren. Bovendien toonden ze aan dat de laser-crosstalk, wat de belangrijkste bron van fouten was, geminimaliseerd kon worden door de geheugenionen iets verder van de communicerende ion te plaatsen of door betere lenzen te gebruiken om de laser nauwer te focussen. Dit zijn technische uitdagingen in plaats van fundamentele fysieke barrières, wat suggereert dat de weg vooruit duidelijk is.

Dit onderzoek vertegenwoordigt een verschuiving van het bouwen van single-qubit experimenten naar het creëren van kleine, functionele modules die aan elkaar gekoppeld kunnen worden. Het vermogen om kwantuminformatie gedurende seconden op te slaan terwijl er actief geprobeerd wordt een netwerk op te bouwen, is een vereiste voor het opschalen van kwantumcomputers. De resultaten van het team suggereren dat een netwerk van deze ion-holte modules uiteindelijk de gelijktijdige creatie van meerdere verstrengelde paren tussen verre locaties zou kunnen ondersteunen. Dit zou de teleportatie van complexe kwantumtoestanden en de zuivering van verbindingen over lange afstanden mogelijk maken, wat de ruggengraat vormt van een toekomstig kwantuminternet. Door aan te tonen dat een holte-geïntegreerd systeem een meer-seconden coherentie en robuust geheugen kan bereiken, hebben de onderzoekers een concreet blauwdruk geleverd voor hoe kwantumnetwerken in de echte wereld gebouwd kunnen worden.