Forskare vid Laboratoire Kastler Brossel (LKB) i Paris har brutit igenom en viktig barriär i kvantminnesprestanda. Deras arbete har möjliggjort den första säkra lagringen och hämtningen av kvantbitar.

Fysiker på LKB har mer än fördubblat effektiviteten av optisk qubit-lagring – från 30 procent till nära 70 procent – ​​vilket gör säker lagring och hämtning möjlig. Kvantminne är viktigt för framtida kvantnätverk. Möjligheten att synkronisera kvantbitar har tillämpningar i långdistanskvantkommunikationsprotokoll eller beräkningsalgoritmer. Med en effektivitet på långt över 50 procent, kvantlagring möjliggör nu protokollsäkerhet.

"Den uppnådda effektiviteten kan öka skalbarheten i kvantnätverket och den banar också vägen för avancerade uppgifter där effektiviteten spelar en avgörande roll, såsom i certifieringsprotokoll eller oförglömliga kvantpengar, " säger Dr Kun Huang, en postdoktor och en huvudförfattare till studien. "Den här enheten kan nu vara kärnan i många utmanande undersökningar för kvantnätverk."

Under de senaste åren, kvantminne har implementerats i en mängd olika material, såsom joner, kristaller och kalla atomer, som möjliggör kontroll av interaktionen mellan informationsbäraren, vanligtvis en foton, och ett fysiskt medium för lagring. Dock, inget minne har kunnat lagra och hämta en qubit med en framgångsfrekvens på över 30 procent tills nu.

I 25 januari onlinenumret av Naturkommunikation , Prof. Julien Laurat och hans team vid LKB, del av Sorbonne University och CNRS, rapporterade att de har lagrat optiska qubits med en rekordeffektiv effektivitet på 70 procent, samtidigt som en trohet till ingångsqubiten bibehålls över 99 procent.

"Vi valde ett antal nyckelelement och kunde för första gången kombinera dem i en enda installation. Detta arbete var nyckeln till att uppnå den högsta effektiviteten hittills för lagring och utläsning av en optisk qubit, säger Pierre Vernaz-Gris, en före detta doktorand som utförde experimentet och en av de två huvudförfattarna till uppsatsen.

Experimentet involverar omvandlingen av en fotonisk qubit till en atomexcitation av laserkylda cesiumatomer. Med protokollet för elektromagnetiskt inducerad transparens, en kontrolllaserstråle gör mediet transparent och saktar ner det infallande signalljuset som bär informationen. När signalen finns i ensemblen och kontrollstrålen är avstängd, informationen omvandlas till en kollektiv excitation av atomerna, som lagras tills kontrollstrålarna slås på igen.

Denna teknik, behärskar på LKB, har redan använts för kvantminnesexperiment under tidigare år, men processens effektivitet beror i hög grad på antalet atomer som är involverade i interaktionen. Laurats team förberedde därför ett mycket långsträckt moln av ultrakalla atomer (nästan tre centimeter långt), vilket möjliggjorde effektiv lagring. Genombrottet kom när forskargruppen kunde göra rumslig multiplexering av det komprimerade atommolnet. LKB lyckas erhålla både effektiv lagring och rumslig multiplexering samtidigt, förutom ett högt signal-brusförhållande.

Denna demonstration följer andra arbeten som Laurats grupp har gjort de senaste åren, inklusive realiseringen av ett kvantminne med flera frihetsgrader eller den första demonstrationen av stoppat ljus i en optisk fiber.