Performance of a Hot Rb Vapour-Based Portable Quantum Memory

De toekomst van het internet kan afhangen van een apparaat dat een enkel lichtdeeltje kan vangen, het een moment stil kan houden en het vervolgens weer kan loslaten zonder het te breken. De huidige wereldwijde netwerken vertrouwen op glasvezelkabels die informatie vervoeren als lichtpulsen, maar naarmate deze signalen reizen, vervagen en verzwakken ze. In de klassieke wereld lossen ingenieurs dit op door gebruik te maken van versterkers om het signaal te versterken, maar de regels van de kwantumfysica verbieden dit. Vanwege een fundamentele wet die het perfect kopiëren van onbekende kwantumtoestanden verhindert, kunnen deze fragiele signalen niet worden versterkt zonder de informatie die ze dragen te vernietigen. Om een kwantuminternet te bouwen dat over lange afstanden werkt, moeten wetenschappers in plaats daarvan "repeaters" gebruiken die fungeren als relaisstations. Deze stations hebben een speciaal soort geheugen nodig dat in staat is om een kwantumtoestand tijdelijk op te slaan, wachtend tot de volgende schakel in de keten klaar is, om de informatie vervolgens op commando vrij te geven. De uitdaging is om deze geheugens zo te bouwen dat ze klein en robuust zijn en kunnen werken zonder extreme kou of enorme hoeveelheden energie te vereisen, waardoor ze geschikt zijn voor praktische inzet.

In een recente studie hebben onderzoekers geprobeerd een commercieel, draagbaar apparaat te testen dat precies hiervoor is ontworpen. Het team, dat werkte met een systeem gebaseerd op warm rubidiumgas, onderzocht hoe goed dit "kwantumgeheugen" lichtpulsen kon opslaan en terughalen onder verschillende omstandigheden. Het apparaat maakt gebruik van een wolk van rubidiumatomen, die worden verhit tot temperaturen die gemakkelijk te controleren zijn, om licht te vangen. Door de temperatuur van de damp en de timing van de lichtpulsen zorgvuldig af te stemmen, maten de onderzoekers drie cruciale prestatieparameters: hoe lang het geheugen het licht kon vasthouden voordat het vervaagde, hoe efficiënt het opgeslagen signaal kon worden teruggehaald, en hoe duidelijk het signaal kon worden onderscheiden van achtergrondruis. Ze berekenden ook de foutenmarge, die meet hoe vaak het systeem de gegevens zou kunnen verkeerd interpreteren. Het doel was om te zien of deze draagbare technologie aan de strikte standaarden kon voldoen die al zijn vastgesteld voor de klassieke glasvezelnetwerken die ons huidige internet voeden.

De onderzoekers concentreerden zich op een specifiek type interactie genaamd elektromagnetisch geïnduceerde transparantie. In eenvoudige termen is dit een proces waarbij twee laserstralen worden gebruikt om een normaal gesproken ondoorzichtige wolk van atomen transparant te maken voor een specifieke lichtpuls. Eén straal fungeert als controle, terwijl de andere de informatie draagt. Wanneer de controlestraal actief is, laten de atomen de informatiebundel door. Door de controlestraal uit te schakelen terwijl de informatiepuls zich in de wolk bevindt, wordt het licht effectief gestopt en opgeslagen als een patroon van atomaire excitaties. Om de informatie terug te halen, wordt de controlestraal weer aangezet, waardoor de lichtpuls wordt vrijgegeven. Het team testte dit proces met behulp van een commercieel, in een rack monteerbaar systeem gevuld met rubidiumgas, waarbij de cel werd verhit tot diverse temperaturen tussen 60 en 90 graden Celsius. Ze stuurden lichtpulsen in en maten hoeveel van het oorspronkelijke signaal eruit kwam na verschillende opslagtijden, variërend van enkele microseconden tot enkele honderden.

De resultaten toonden een delicaat evenwicht tussen temperatuur en prestaties. Naarmate de onderzoekers de temperatuur van de damp verhoogden, bewogen de atomen sneller. Hoewel dit het aantal atomen vergrootte dat beschikbaar was om met het licht te interageren, introduceerde het ook meer ruis en zorgde het ervoor dat de opgeslagen informatie sneller vervaagde. De studie toonde aan dat het geheugen het licht het langst kon vasthouden bij de laagste geteste temperatuur, 60 graden Celsius, waar het signaal ongeveer 278 microseconden coherent bleef. De efficiëntie van het systeem — oftewel hoeveel procent van het oorspronkelijke licht succesvol werd teruggehaald — volgde echter niet hetzelfde patroon. Het systeem presteerde het best bij 70 graden Celsius, waar het het hoogste percentage van het opgeslagen licht terughaalde. Toen de onderzoekers naar de signaal-ruisverhouding keken, een maatstaf voor hoe schoon het teruggehaalde signaal was ten opzichte van de achtergrondstatische ruis, vonden ze de beste prestatie bij de hoogste temperatuur van 90 graden Celsius.

Misschien wel het meest significant is dat het team deze fysieke metingen vertaalde naar de taal van de standaard telecommunicatie. Ze berekenden de bitfoutmarge, die ons vertelt hoeveel fouten het systeem zou maken als het digitale gegevens zou verzenden. Voor een systeem om nuttig te zijn in een echt netwerk, moet deze foutenmarge extreem laag zijn. De studie toonde aan dat bij temperaturen boven de 60 graden Celsius en voor opslagtijden tot 50 microseconden, het apparaat foutenmarges produceerde die ruim onder de drempelwaarde liggen die vereist is voor moderne telecommunicatienetwerken. Sterker nog, voor korte opslagtijden bereikte het systeem foutenmarges lager dan één op tien miljard, een betrouwbaarheidsniveau dat overeenkomt met de standaarden van het huidige klassieke internet. De onderzoekers merkten op dat hoewel het systeem werkt op een golflengte van 795 nanometer, wat niet de standaard is voor glasvezelverbindingen over lange afstand, de technologie kan worden aangepast om met bestaande infrastructuur te werken via technieken voor golflengteconversie.

Het werk suggereert dat draagbare kwantumgeheugens gebaseerd op warme atoomdampen niet slechts theoretische concepten zijn, maar de prestatieniveaus benaderen die nodig zijn voor praktisch gebruik. De studie vond geen enkele "perfecte" temperatuur voor alle taken; in plaats daarvan identificeerden ze een operationeel venster waarin verschillende prestatiedoelen konden worden behaald. Als de prioriteit ligt bij het lang vasthouden van het signaal, is een koelere temperatuur beter. Als het doel is om het signaal met de hoogste efficiëntie of de schoonste kwaliteit terug te halen, zijn warmere temperaturen te verkiezen. Deze flexibiliteit is een cruciale stap voorwaarts, wat aangeeft dat deze apparaten kunnen worden afgestemd op de specifieke behoeften van een kwantumnetwerk. Door aan te tonen dat een draagbaar, warm-damp systeem aan de strenge benchmarks van klassieke communicatie kan voldoen, hebben de onderzoekers een duidelijk pad geopend naar de integratie van kwantumgeheugen in het toekomstige internet, waarmee de kloof tussen fragiele kwantumtoestanden en de robuuste netwerken die onze wereld verbinden, wordt overbrugd.