A solid-state quantum memory based on a continuous optoacoustic system

Om een toekomst te bouwen waarin informatie razendsnel en veilig over de hele wereld reist, hebben wetenschappers een manier nodig om licht te laten pauzeren. In de kwantumwereld wordt informatie vaak gedragen door individuele lichtdeeltjes, maar deze deeltjes bewegen met de snelheid van het licht en verdwijnen als ze iets raken. Om deze data te verwerken of over lange afstanden te verzenden, hebben onderzoekers een "geheugen" nodig dat een vliegend foton kan opvangen, het even stil kan houden en het vervolgens exact zoals het was kan vrijgeven. Dit gaat niet alleen over het opslaan van een bestand; het gaat over het behouden van de delicate, onzichtbare patronen van kwantumtoestanden die technologieën zoals onkraakbare communicatie en uiterst nauwkeurige sensoren mogelijk maken. De uitdaging is het vinden van een materiaal dat deze vluchtige deeltjes kan opvangen zonder hun kwantumaard te vernietigen, terwijl het ook snel genoeg is om het snelle tempo van moderne data bij te houden.

Een team van onderzoekers heeft een nieuwe methode voorgesteld om dit probleem op te lossen met behulp van een stuk glas of kristal dat fungeert als een continue snelweg voor zowel licht als geluid. In plaats van te proberen licht te vangen in een kleine, geïsoleerde doos, wat de hoeveelheid informatie die tegelijkertijd kan worden opgeslagen beperkt, gebruikt hun aanpak een lange, dunne golfgeleider waar licht- en geluidsgolven samen reizen. In dit systeem fungeert een puls van laserlicht als een brug, die een reizend foton omzet in een reizende geluidsgolf, een zogenaamde fonon, en vervolgens weer terug. Dit proces berust op een specifieke interactie genaamd Brillouin-verstrooiing, waarbij de energie van een foton wordt uitgewisseld met de energie van een geluidsgolf. De onderzoekers toonden aan dat ze door deze interacties zorgvuldig te timen, een kwantumtoestand van licht naar geluid kunnen mappen, het daar een korte tijd kunnen laten rusten, en het vervolgens weer als licht kunnen terughalen, allemaal zonder de extreme, nabij het absolute nulpunt vereiste temperaturen die gewoonlijk voor dergelijk delicaat werk nodig zijn.

De kern van dit voorstel is een tweestaps-proces dat functioneert als een omkeerbare schakelaar. Eerst komt een sterke laserlichtpuls de golfgeleider binnen en ontmoet een zwak signaal dat de kwantuminformatie draagt. Deze interactie dwingt het signaal om te transformeren in een geluidsgolf die door het materiaal reist. Het signaal is nu opgeslagen als een trilling binnen het vaste medium. Na een programmeerbare vertraging arriveert een tweede laserpuls om het proces om te keren, waardoor de geluidsgolf weer wordt omgezet in een lichtpuls die de oorspronkelijke informatie draagt. Omdat het systeem gebruikmaakt van reizende golven in plaats van gevangen deeltjes in een holte, kan het een zeer breed scala aan frequenties tegelijkertijd verwerken. Dit betekent dat het geheugen veel verschillende signalen simultaan kan opslaan, een cruciale functie voor het opschalen van kwantumnetwerken.

De onderzoekers gebruikten gedetailleerde computersimulaties om te testen hoe goed dit systeem zou werken met materialen uit de echte wereld. Ze modelleerden het gedrag van de licht- en geluidsgolven onder verschillende omstandigheden, inclusief verschillende temperaturen en niveaus van interactiekracht. Hun resultaten geven aan dat het systeem complexe kwantumtoestanden, zoals "geperste" (squeezed) licht waarbij de ruis in het signaal onder de standaardlimiet wordt gereduceerd, met zeer hoge nauwkeurigheid kan opslaan en terughalen. Zelfs bij temperaturen van één Kelvin, wat slechts één graad boven het absolute nulpunt is maar veel warmer dan de millikelvin-temperaturen die vaak nodig zijn voor kwantumapparaten, behield het geheugen de kwantuminformatie met een hoge getrouwheid (fidelity). De simulaties toonden aan dat het systeem effectief kon opereren voor opslagtijden van tientallen nanoseconden, wat lang genoeg is om data te verwerken voor vele geavanceerde toepassingen.

Een belangrijke bevinding van dit werk is dat het systeem er niet voor nodig is dat de geluidsgolven tot hun laagste energietoestand zijn afgekoeld voordat de informatie wordt opgeslagen. In veel kwantumsystemen vernietigt elke resterende warmte of trilling in het materiaal de delicate kwantuminformatie. Echter, omdat dit protocol berust op een snelle, coherente uitwisseling tussen licht en geluid, blijft het geheugen robuust, zelfs als de geluidsgolven niet perfect koud zijn. De onderzoekers ontdekten dat zolang de interactie tussen het licht en het geluid sterk genoeg is, het systeem de achtergrondthermische ruis kan overwinnen. Dit suggereert dat de technologie veel gemakkelijker te bouwen en te exploiteren is dan eerdere benaderingen, omdat het niet de meest extreme koelapparatuur vereist.

De studie onderzocht ook hoe goed het geheugen verstrengeling (entanglement) behoudt, een fenomeen waarbij twee deeltjes verbonden blijven, ongeacht de afstand tussen hen. In de simulaties werd één helft van een verstrengeld paar in het geheugen gestuurd, terwijl de andere helft buiten als referentie werd gehouden. Nadat de eerste helft als een geluidsgolf werd opgeslagen en vervolgens als licht werd teruggehaald, bleef de verbinding tussen de twee deeltjes intact. De simulaties toonden aan dat de sterkte van deze verbinding, bekend als negativiteit, hoog genoeg bleef om te bevestigen dat de kwantumaard van het paar behouden is gebleven. Dit demonstreert dat het systeem in staat is de meest fragiele vormen van kwantuminformatie te verwerken, en niet alleen eenvoudige signalen.

Het voorgestelde geheugen is ontworpen om te werken met een bandbreedte van honderden megahertz, waardoor het een grote hoeveelheid data parallel kan verwerken. Dit is een significante verbetering ten opzichte van systemen die vertrouwen op discrete, geïsoleerde modi, die slechts één frequentie tegelijk kunnen verwerken. Door een continu medium te gebruiken, toonden de onderzoekers aan dat het systeem informatie over een breed spectrum aan frequenties tegelijkertan kan opslaan. Deze capaciteit opent de deur naar multimode kwantumsignaalverwerking, waarbij vele verschillende informatiekanalen tegelijkertijd beheerd kunnen worden. De simulaties suggereerden dat het systeem met de huidige technologie, zoals golfgeleiders met specifieke optische eigenschappen, deze resultaten zou kunnen bereiken met laserpulsen met piekvermogens die in een laboratoriumsetting haalbaar zijn.

Hoewel de gepresenteerde resultaten gebaseerd zijn op theoretische modellen en simulaties, wijzen ze op een praktisch pad voor het bouwen van schaalbare kwantumgeheugens. De onderzoekers merkten op dat in werkelijke experimenten de opslagtijd potentieel nog verder uitgebreid kan worden als het gebruikte materiaal lagere mechanische verliezen heeft, wat vaak het geval is bij lagere temperaturen. Ze benadrukten ook dat het vermogen van het systeem om te werken bij sub-Kelvin temperaturen, in plaats van de noodzaak voor diepe cryogene omgevingen, het een meer levensvatbare kandidaat maakt voor integratie in toekomstige kwantumnetwerken. Het werk identificeert een specifiek type optoakoestisch systeem als een veelbelovend platform voor de volgende generatie kwantumtechnologieën, dat een manier biedt om lichtgebaseerde informatie op te slaan en te verwerken met snelheid, capaciteit en betrouwbaarheid.