Quantifying the fidelity of a quantum memory

In de opkomende wereld van de quantumtechnologie wordt informatie niet opgeslagen op harde schijven of in de cloud, maar in de delicate toestanden van individuele deeltjes zoals atomen of fotonen. Om een toekomstig netwerk te bouwen dat in staat is om deze informatie over steden of continenten te sturen, hebben wetenschappers een manier nodig om het signaal te pauzeren, even vast te houden en weer vrij te geven zonder het unieke quantumkarakter te verliezen. Deze pauze wordt uitgevoerd door een apparaat dat een quantumgeheugen wordt genoemd. In tegen tegenstelling tot een standaard computergeheugen, dat simpelweg gegevens kopieert, moet een quantumgeheugen de fragiele relaties tussen deeltjes behouden, een eigenschap die bekend staat als verstrengeling. Als het geheugen faalt, degradeert de informatie tot gewone ruis en gaat het quantumvoordeel verloren. De centrale uitdaging voor ingenieurs en natuurkundigen is geweest hoe ze precies kunnen meten hoe goed deze apparaten werken. Traditionele methoden vertrouwen vaak op het controleren van een paar specifieke voorbeelden, wat een misleidend beeld kan geven van de algehele prestaties van het apparaat, vergelijkbaar met het beoordelen van het volledige menu van een chef-kok door slechts één gerecht te proeven.

Een team onderzoekers aan de Universiteit van Genève heeft een uitgebreid kader ontwikkeld om dit probleem op te lossen, wat een betrouwbare manier biedt om de kwaliteit van elk quantumgeheugen te certificeren. Hun werk gaat verder dan het controleren van een paar specifieke gevallen en biedt één enkel, duidelijk getal dat de gemiddelde kwaliteit van het geheugen over alle mogbare inputs vertegenwoordigt. Ze hebben aangetoond dat door een zorgvuldig gekozen, kleine set inputtoestanden te testen, ze de exacte gemiddelde prestaties van het apparaat kunnen berekenen zonder elke mogelijke toestand te hoeven testen, wat onmogelijk zou zijn. Deze aanpak stelt hen in staat om niet alleen te bepalen of het geheugen werkt, maar ook hoe goed het de dimensionaliteit van de informatie en het vermogen om quantumdata over te dragen behoudt. De onderzoekers hebben hun nieuwe methoden toegepast op een experiment in de echte wereld met een vaste kristal gedoteerd met ytterbium-ionen, een type geheugen dat licht opslaat in de vorm van tijdsgebaseerde pulsen. Ze ontdekten dat dit specifieke geheugen quantuminformatie kon opslaan met een gemiddelde fidelity van 98,6% voor een duur van 10 microseconden, en 98,5% voor 125 microseconden.

De kern van deze nieuwe methode rust op een concept genaamd een "2-design", wat een specifieke collectie testtoestanden is die wiskundig representatief zijn voor alle mogelijke toestanden. Stel je voor dat je probeert de gemiddelde kleur van een enorme, continue regenboog te begrijpen; het testen van elke afzonderlijke tint is onmogelijk. In plaats daarvan, als je een specifieke, goed gespreide set kleuren kiest die het hele spectrum dekken, kun je de gemiddelde kleur van de hele regenboog met perfecte nauwkeurigheid berekenen. De onderzoekers toonden aan dat voor quantumgeheugens een kleine set probeertoestanden — zoals zes specifieke richtingen op een sfeer die de mogelijke toestanden van een deeltje vertegenwoordigen — fungeert als deze representatieve set. Door deze toestanden voor te bereiden, ze door het geheugen te sturen en te meten hoeveel ze veranderen, kan het team de gemiddelde kanaalfidelity berekenen. Dit getal vertelt het verhaal van de prestaties van het geheugen op een manier die onafhankelijk is van het specifieke fysieke platform dat wordt gebruikt, of het nu gebaseerd is op licht, atomen of kristallen.

Het artikel behandelt ook de praktische realiteit dat quantumgeheugens niet perfect zijn; ze verliezen vaak een deel van het signaal door technische imperfecties. De onderzoekers hebben technieken ontwikkeld om de efficiëntie van het geheugen (hoe vaak het een signaal succesvol opslaat) te scheiden van de fidelity (hoe goed het de informatie behoudt wanneer het dat wel doet). Ze toonden aan dat het zelfs met beperkte gegevens of minder ideale apparatuur mogelijk is om een ondergrens vast te stellen voor de kwaliteit van het geheugen. Ze introduceerden "getuigen" (witnesses), wat simpelere tests zijn die gebruikmaken van minder toestanden, zoals slechts twee of vier, die nog steeds kunnen garanderen dat het geheugen boven een bepaalde drempel presteert. Hoewel deze eenvoudigere tests de werkelijke prestaties iets kunnen onderschatten, bieden ze een robuuste en efficiënte manier om te certificeren dat het apparaat functioneert als een echte quantumkanaal, in staat om de complexe correlaties te bewaren die vereist zijn voor toekomstige netwerken.

Om de praktische waarde van hun kader te bewijzen, paste het team deze methoden toe op een experiment met een solid-state quantumgeheugen. In deze opstelling genereerde een bron paren verstrengelde fotonen, waarbij één foton diende als een signaal om de aankomst van de andere te aankondigen (herald). Het tweede foton, dat de quantuminformatie draagt die gecodeerd is in zijn aankomsttijd, werd naar het kristalgeheugen gestuurd. Het geheugen sloeg het foton voor een geprogrammeerde duur op voordat het weer vrijgaf. De onderzoekers maten vervolgens het foton om te zien hoe nauw het overeenkwam met zijn oorspronkelijke toestand. Met behulp van hun zes-toestandenprotocol, dat overeenkomt met de meest nauwkeurige test, bevestigden ze een gemiddelde fidelity van 98,6% voor een opslagtijd van 10 microseconden en 98,5% voor 125 microseconden. Deze resultaten waren consistent over verschillende opslagtijden, wat aangeeft dat het geheugen zelf geen significante ruis introduceerde, zelfs toen de efficiëntie van het terughalen van het foton daalde van 16,6% naar 3,65% over de langere duur.

Buiten het simpelweg meten van hoe goed het geheugen werkt, toonden de onderzoekers aan dat hun fidelity-metriek diepere eigenschappen van het apparaat onthult. Ze demonstreerden dat een hoge fidelity-score garandeert dat het geheugen niet "verstrengelingsbrekend" is, wat betekent dat het nog steeds gebruikt kan worden om verstrengelde toestanden op te slaan en te verzenden, wat essentieel is voor quantumnetwerken. Bovendien koppelden ze de fidelity aan de quantumcapaciteit van het geheugen, een maatstaf voor hoeveel quantuminformatie het apparaat per gebruik kan verzenden. Hun analyse toonde aan dat het geheugen in hun experiment een quantumcapaciteit had van ongeveer 81,9% van het ideale maximum voor de opslagtijd van 10 microseconden. Deze verbinding stelt wetenschappers in staat om het potentieel van een geheugen voor complexe taken te voorspellen op basis van een enkel, gemakkelijk te meten getal.

Het kader strekt zich ook uit naar scenario's waarin de meetapparatuur niet volledig vertrouwd of gekarakteriseerd kan worden. In veel real-world toepassingen zijn de apparaten die worden gebruikt om de output van een geheugen te lezen complexe 'black boxes' die moeilijk te kalibreren zijn. De onderzoekers ontwikkelden een "semi-device-onafhankelijke" benadering die certificering mogelijk maakt, zelfs wanneer het meetapparaat als onbekend wordt beschouwd. Door enkel te vertrouwen op de statistieken van de inputtoestanden en de uiteindelijke uitkomsten, konden ze nog steeds een ondergrens afleiden voor de fidelity van het geheugen. In hun experimentele gegevens certificeerde deze conservatievere methode nog steeds een fidelity van 96,8%, wat bewees dat de hoge prestaties van het geheugen robuust zijn, zelfs rekening houdend met de onzekerheden in het meetproces.

Dit werk biedt een verenigde taal om verschillende soorten quantumgeheugens te vergelijken, van die gebaseerd op gevangen ionen tot die gebruikmaken van solid-state kristallen. Door een standaard voor certificering vast te stellen die zowel rigoureus als experimenteel haalbaar is, hebben de onderzoekers een belangrijke barrière voor de ontwikkeling van quantumnetwerken weggenomen. Hun methoden stellen ingenieurs in staat om snel te beoordelen of een nieuw geheugendesign klaar is voor integratie in een groter systeem, waardoor wordt gegarandeerd dat de quantuminformatie intact blijft terwijl deze van het verleden naar de toekomst reist. De succesvolle toepassing van deze technieken op een echt solid-state apparaat demonstreert dat hoog-fidelity quantumopslag niet alleen een theoretische mogelijkheid is, maar een tastbare realiteit die met precisie gemeten, begrepen en verbeterd kan worden.