Kvantdatorer, som använder ljuspartiklar (fotoner) istället för elektroner för att överföra och bearbeta data, hålla löftet om en ny era av forskning där den tid som krävs för att förverkliga livräddande läkemedel och ny teknik kommer att förkortas avsevärt. Fotoner är lovande kandidater för kvantberäkning eftersom de kan sprida sig över långa avstånd utan att förlora information, men när de lagras i material blir de ömtåliga och mottagliga för dekoherens. Nu forskare med Photonics Initiative vid Advanced Science Research Center (ASRC) vid The Graduate Center, CUNY har utvecklat ett nytt protokoll för lagring och frisläppande av en enda foton i en inbäddad egen stat - ett kvanttillstånd som praktiskt taget inte påverkas av förlust och dekoherens. Det nya protokollet, detaljerad i det aktuella numret av Optica , syftar till att främja utvecklingen av kvantdatorer.

"Målet är att lagra och släppa enstaka fotoner på begäran genom att samtidigt säkerställa stabiliteten av data, sa Andrea Alù, grundande chef för ASRC Photonics Initiative och Einstein professor i fysik vid The Graduate Center. "Vårt arbete visar att det är möjligt att begränsa och bevara en enda foton i ett öppet hålrum och få den att förbli där tills den får en annan foton att fortsätta sprida sig."

Forskargruppen använde kvantelektrodynamisk teknik för att utveckla sin teori. De undersöker ett system som består av en atom och ett hålrum - det senare är delvis öppet och kan därför normalt låta ljus som fångas i systemet läcka ut och snabbt gå förlorat. Forskargruppen visade, dock, att under vissa förhållanden kan destruktiva störningsfenomen förhindra läckage och tillåta att en enda foton lagras i systemet på obestämd tid. Denna inbyggda egen stat kan vara till stor hjälp för att lagra information utan att försämras, men den skyddade statens slutna natur skapar också en barriär för yttre stimuli, så att enstaka fotoner inte heller kan injiceras i systemet. Forskargruppen kunde övervinna denna begränsning genom att spänna systemet samtidigt med två eller flera fotoner.

"Vi föreslog ett system som fungerar som en sluten låda när den exciteras av en enda foton, men det öppnar sig mycket effektivt när vi träffar det med två eller flera fotoner, "sade Michele Cotrufo, första författare till tidningen och en postdoktor med ASRC Photonics Initiative. "Vår teori visar att två fotoner effektivt kan injiceras i det slutna systemet. Efter det, en foton kommer att gå förlorad och den andra kommer att fastna när systemet stängs. Den lagrade fotonen har potential att bevaras i systemet på obestämd tid. "

I realistiska system, ytterligare brister skulle förhindra perfekt inneslutning av fotoner, men forskargruppens beräkningar visade att deras protokoll överträffar tidigare lösningar baserade på en enda kavitet.

Författarna visade också att den lagrade upphetsade fotonen senare kan frigöras på begäran genom att skicka en andra puls av fotoner.

Teamets upptäckt har potential att lösa kritiska utmaningar för kvantberäkning, inklusive on-demand-generering av intrasslade fotoniska tillstånd och kvantminnen. Gruppen utforskar nu vägar för att experimentellt verifiera deras teoretiska arbete.