När det gäller utvecklingen av kvantminnen för förverkligandet av globala kvantnätverk, forskare från Quantum Dynamics Division ledd av professor Gerhard Rempe vid Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) har nu uppnått ett stort genombrott:de demonstrerade den långlivade lagringen av en fotonisk qubit på en enda atom instängd i en optisk resonator. Koherenstiden för den lagrade kvantbiten varar längre än 100 millisekunder och matchar därför kravet för skapandet av ett globalt kvantnätverk i vilket qubits direkt teleporteras mellan ändnoder. "Koherenstiderna som vi uppnår representerar en förbättring med två storleksordningar jämfört med dagens toppmoderna, " säger professor Rempe. Studien är publicerad i Nature Photonics i dag.

Ljus är en idealisk bärare för kvantinformation kodad på enstaka fotoner, men överföring över långa avstånd är ineffektiv och opålitlig på grund av förluster. Direkt teleportering mellan ändnoderna i ett nätverk kan användas för att förhindra förlust av värdefulla kvantbitar. Först, avlägsna intrassling måste skapas mellan noderna; sedan, ett lämpligt mått på avsändarsidan utlöser den "läskiga åtgärden på avstånd, "d.v.s. den momentana transporten av qubit till mottagarens nod. Emellertid, kvantbiten kan roteras när den når mottagaren och måste därför återställas. För detta ändamål, den nödvändiga informationen måste på ett klassiskt sätt kommuniceras från avsändare till mottagare. Detta tar en viss tid, under vilken qubiten måste bevaras vid mottagaren. Med tanke på två nätverksnoder på de mest avlägsna platserna på jorden, detta motsvarar ett tidsintervall på 66 millisekunder.

Under 2011, Professor Rempes grupp har visat en framgångsrik teknik för att lagra en fotonisk kvantbit på en enda atom. Atomen är placerad i mitten av en optisk kavitet som bildas av två högfina speglar och håller på plats av stående ljusvågor. En enda foton som bär kvantbiten i en koherent överlagring av två polarisationstillstånd börjar starkt interagera med den enda atomen när den väl skickas in i resonatorn. I sista hand, fotonen absorberas av atomen och kvantbiten överförs till en sammanhängande överlagring av två atomära tillstånd. Utmaningen är att behålla den atomära superpositionen så länge som möjligt. I tidigare experiment, lagringstiden var begränsad till några hundra mikrosekunder.

"Det stora problemet för att lagra kvantbitar är fenomenet avfasning, " förklarar Stefan Langenfeld, en doktorand vid experimentet. "Kännetecknande för en kvantbit är den relativa fasen av vågfunktionerna för de atomära tillstånden som är sammanhängande överlagrade. Tyvärr, i verkliga experiment, denna fasrelation går förlorad över tiden, mestadels på grund av interaktion med fluktuerande omgivande magnetiska fält."

I deras nuvarande experiment, forskarna vidtar nya åtgärder för att motverka effekterna av dessa fluktuationer. När informationen väl har överförts från fotonen till atomen, befolkningen i ett atomärt tillstånd överförs konsekvent till ett annat tillstånd. Detta görs genom att använda ett par laserstrålar för att inducera en Raman-övergång. I denna nya konfiguration, den lagrade qubiten är 500 gånger mindre känslig för magnetfältsfluktuationer.

Innan hämtning av den lagrade fotoniska kvantbiten, Raman-övergången är omvänd. För en lagringstid på 10 millisekunder, överlappningen av den lagrade fotonen med den hämtade fotonen är cirka 90 %. Detta betyder, att blotta överföringen av den atomära qubiten till en mindre känslig tillståndskonfiguration förlänger koherenstiden med en faktor 10. Ytterligare en faktor på 10 erhölls genom att lägga till ett så kallat "spin-eko" till den experimentella sekvensen. Här, populationen av de två atomära tillstånden som används för lagring byts ut i mitten av lagringstiden. "Den nya tekniken tillåter oss att bevara kvantnaturen hos den lagrade biten i mer än 100 millisekunder, säger Matthias Körber, en doktorand vid experimentet. "Även om ett föreställt globalt kvantnätverk som möjliggör säker och pålitlig transport av kvantinformation fortfarande kräver mycket forskning, den långlivade lagringen av kvantbitar är en av nyckelteknologierna och vi tror att de nuvarande förbättringarna kommer att föra oss ett betydande steg närmare dess förverkligande."