Deterministic synthesis and processing of frequency-bin qubits in a macroscopically coherent quantum memory

In de wereld van de kwantuminformatie is licht de voorkeursboodschapper. Fotonen, de minuscule deeltjes waaruit licht bestaat, kunnen gegevens over enorme afstanden vervoeren zonder hun delicate kwantumtoestand te verliezen. Echter, voor een kwantumnetwerk om te kunnen functioneren als een echt internet, hebben deze vliegende boodschappers een plek nodig om te rusten. Ze vereisen een geheugen dat een foton kan opvangen, het veilig kan vasthouden en het op commando kan vrijgeven zonder de informatie die het draagt te verstoren. Jarenlang hebben wetenschappers deze "kwantumgeheugens" gebouwd, maar ze fungeerden grotendeels als passieve opslag lockers. Ze konden een bericht opslaan en later ophalen, maar ze konden de boodschap niet veranderen terwijl deze erin zat. Deze beperking betekende dat onderzoekers, om kwantumdata te verwerken, de informatie uit de opslag moesten halen, deze met complexe apparatuur moesten manipuleren en vervolgens weer terug moesten plaatsen, een proces dat traag is en foutgevoelig. De uitdaging was om deze passieve opslag te veranderen in een actieve werkplaats waar de data gevormd en getransformeerd kan worden terwijl deze wacht.

Een onderzoeker aan het Kazan Quantum Center in Rusland heeft nu een manier gedemonstreerd om een kwantumgeheugen te veranderen in een actieve processor voor licht. De focus lag op een specifiek type informatie dat "frequentie-bin qubits" wordt genoemd, waarbij de data wordt gecodeerd in de kleur, of frequentie, van een foton. In plaats van ingewikkelde laserpulsen te gebruiken om deze kleuren te vormen, ontwikkelde de onderzoeker een methode om het geheugen zelf te besturen met eenvoudige radiofrequente golven. Door het geheugen voor te bereiden met een speciale, langdurige toestand van orde voordat het licht arriveert, creëerde hij een systeem dat in staat is om deze op basis van frequentie gestuurde boodschappen deterministisch te synthetiseren, op te slaan en te verwerken. Het resultaat is een apparaat dat licht niet alleen vasthoudt, maar het ook actief manipuleert, waardoor een opsiseenheid wordt getransformeerd tot een platform voor het bouwen van complexe kwantumtoestanden op aanvraag.

De onderzoeker werkte met een kristal dat is gedoteerd met zeldzame-aardionen, dit zijn atomen die in staat zijn om kwantuminformatie voor verrassend lange perioden vast te houden. Binnen dit kristal richtte hij een dual-mode optische caviteit op, een kleine kamer die licht vangt en het licht dwingt sterk te interageren met de atomen. De sleutel tot hun doorbraak was een techniek die zij "Pre-created Long-lived Macroscopic Coherence" noemen. Voordat er een signaal in het systeem werd gestuurd, gebruikten zij radiofrequente pulsen om de spins van de atomen in het kristal in een specifiek, gesynchroniseerd patroon te rangschikken. Denk bij deze vooraf geregelde toestand aan een vooraf afgestemd muziekinstrument dat klaar is om een specifieke noot te spelen op het moment dat een geluidsgolf het raakt. Deze reeds bestaande orde fungeert als een brug, waardoor het geheugen tegelijkertijd en op een gecoördineerde manier met verschillende kleuren licht kan interageren.

Wanneer een enkel foton dit voorbereide geheugen binnengaat, wordt het niet alleen opgeslagen; het wordt getransformeerd. De radiofrequente pulsen die werden gebruikt om de atomaire spins in te stellen, stellen de onderzoeker in staat om precies te controleren hoe het foton wordt gesplitst in twee verschillende kleuren, of frequentie-bins. Door simpelweg de sterkte en timing van deze radiogolven aan te passen, kunnen zij de exacte mix van kleuren in de output dicteren. Dit is een aanzienlijke afwijking van eerdere methoden, die complexe vormgeving van de inkomende lichtpulsen vereisten om vergelijkbare resultaten te bereiken. Hier komt het licht binnen als een eenvoudig signaal, en het geheugen zelf, geleid door de radiogolven, beslist hoe de informatie te splitsen en op te slaan. Het systeem zorgt ervoor dat de twee resulterende kleuren samen verschijnen als een enkele, coherente kwantumtoestand, waardoor effectief een nieuw type lichtdeeltje vanuit het niets wordt gecreëerd.

De studie toont aan dat dit proces niet slechts eenrichtingsverkeer is. Hetzelfde mechanisme dat deze complexe toestanden creëert, maakt het ook mogelijk om ze met hoge efficiëntie op te slaan en op te halen. De onderzoeker vond dat het systeem opereert volgens een principe dat zij "spectrally nonlocal impedance matching" noemen. In simpelere termen: het geheugen behandelt de verschillende kleuren licht niet als afzonderlijke entiteiten die individueel moeten worden afgestemd, maar als onderdelen van één enkel, verenigd geheel. De vooraf gecreëerde atomaire coherentie koppelt deze kleuren aan elkaar, wat ervoor zorgt dat het geheugen het licht perfect absorbeert en zonder verlies weer afgeeft. Deze verenigde controle betekent dat het apparaat kan fungeren als een programmeerbare processor, in staat om elke gewenste combinatie van frequentie-bin toestanden te genereren door simpelweg de radiofrequente instellingen te wijzigen.

De implicaties van dit werk reiken verder dan alleen het opslaan van licht. De onderzoeker demonstreerde dat de onderliggende fysica van hun systeem beschikt over een tijdsomkeersymmetrie, wat betekent dat het proces van het opslaan en ophalen van het licht perfect omkeerbaar is. Deze wiskundige eigenschap garandeert dat de kwantuminformatie met extreme getrouwheid behouden blijft, een vereiste voor elk toekomstig kwantumnetwerk. Bovendien toonde de onderzoeker aan dat deze aanpak compatibel is met bestaande technologie. De kristallen en caviteiten die zij gebruikten, lijken op de technologie die al wordt ontwikkeld voor telecommunicatie, en de radiofrequente besturing is een standaardinstrument in natuurkundige laboratoria. Zij merkten op dat vergelijkbare opstellingen al opslagefficiënties van meer dan tachtig procent hebben bereikt, wat suggereert dat deze nieuwe methode voor het verwerken van licht niet slechts een theoretisch idee is, maar een praktisch pad voorwaarts.

Door het kwantumgeheugen te transformeren tot een actieve processor, opent dit onderzoek de deur naar meer geavanceerde kwantumnetwerken. In plaats van te vertrouwen op externe computers om data te manipuleren, kunnen de netwerknodes zelf berekeningen uitvoeren en complexe toestanden van licht genereren. Deze capaciteit is cruciaal voor het opschalen van kwantumsystemen, aangezien het de noodzaak voor volumineuze, foutgevoelige apparatuur vermindert. Het vermogen om deterministisch frequentie-bin qubits te creëren en te manipuleren biedt een robuust fundament voor de volgende generatie kwantumcommunicatie en -computing. Het werk suggereert dat de toekomst van kwantuminformatie wellicht niet ligt in het bouwen van grotere, complexere processors, maar in het slim genoeg maken van het geheugen zelf om het werk te doen.