För att skapa stora kvantnätverk, forskare måste först utveckla effektiva kvantupprepare. En nyckelkomponent i dessa repeaters är kvantminnen, som är kvantmekaniska ekvivalenter för mer konventionella datorminnen, t.ex. slumpmässiga åtkomstminnen (RAM).

Helst, ett kvantminne bör kunna behålla information under betydande tidsperioder, lagra sanna kvanttillstånd, läsa upp data effektivt och arbeta med lågförlust telekommunikationsvåglängder. Medan forskargrupper har gjort stora framsteg i utvecklingen av kvantminnen, ingen lösning som hittills föreslagits har kunnat uppfylla alla dessa krav samtidigt.

Med detta i åtanke, forskare vid Delft University of Technology (TU Delft) bestämde sig för att utveckla ett nytt mekaniskt kvantminne med tillräckligt långa lagringstider, hög avläsningseffektivitet, och förmågan att arbeta vid telekomvåglängder. Minnet de tänkte, presenteras i ett papper publicerat i Naturfysik , kan i slutändan möjliggöra praktisk implementering av mekaniska system med kvanteffekter som utvecklats i deras tidigare verk.

"Vi har arbetat med att visa kvanteffekter av mekaniska system i ganska många år nu, och har varit ganska framgångsrika med att förverkliga olika kvanttillstånd, så vi har verkligen drivit dem mot en kvantinformationsbehandlingsriktning, "Simon Gröblacher, professor vid TU Delft, vars forskargrupp genomfört studien, berättade för Phys.org. "För att använda några av dessa enheter för behandling av kvantinformation, dock, en knytnäve måste visa att de kan användas för att bygga en kvantrepeterare och huvudkomponenten i en kvantrepeterare är ett kvantminne. "

När de började arbeta med sitt kvantminne, Gröblacher och hans kollegor var medvetna om att de mekaniska resonatorerna bakom några av deras enheter kunde stödja mycket långa livslängder. De ville därför testa dem för att se vilka lagringstider de kunde stödja, samtidigt som de undersöker deras sammanhang (dvs. hur snabbt de skulle fasa av).

"Vi konstruerade ett system som har några millisekunder livstid, baserat på vårt tidigare arbete, testade den sedan och fann att lagringstiden verkligen var cirka två millisekunder., "Sa Gröblacher." Som ett andra steg, vi var tvungna att verifiera att kvanttillstånd och deras fasinformation bevarades under denna tid. Att göra detta, vi skapade en superposition av det mekaniska systemet och tittade på hur fasen i superpositionen skulle utvecklas med tiden. "

När forskarna först utvärderade sitt kvantminne, de fann att dess överlagringstillstånd förfallit snabbare än den totala livslängden. Detta var långt ifrån ett överraskande resultat, eftersom många tidigare utvecklade system visade sig ha samma sönderfallsmönster. Gröblacher och hans kollegor gav sig ut för att utforska detta fynd ytterligare för att bättre förstå mekanismerna bakom denna korta sammanhållningstid.

"Det allmänna målet med vår studie var att visa att mekanik faktiskt kan användas som ett kvantminne och vi uppnådde detta, "Sa Gröblacher." Anmärkningsvärt, det är första gången som någon har visat detta. "

Kvantminnet som Gröblacher och hans kollegor har tagit fram har flera fördelaktiga egenskaper. En av de viktigaste är att den är fullt konstruerad, vilket innebär att de optiska våglängderna vid vilka den fungerar är valbara, eftersom systemets optiska och mekaniska resonanser är helt artificiella. Forskarna utformade dem med hjälp av en dator och tillverkade sedan enheten därefter.

"Många kvantsystem använder vanligtvis naturligt förekommande resonans, såsom en atom- eller en sällsynt jordresonans, som band dem till vissa våglängder, "Sa Gröblacher." Vår, å andra sidan, är helt konstruerad, så vi kan välja var vi ska arbeta. I vår studie, vi valde 1550 nanometer, eftersom vi ville att vårt system skulle fungera i telekommunikationsbandets våglängd med låg förlust. "

Medan många tidigare utvecklade kvantminnen uppnådde lovande resultat, mycket få av dem kunde operera vid telekomvåglängder (cirka 1550 nanometer), som i huvudsak är de våglängder vid vilka all telekommunikation sker över långa avstånd. Dessutom, minnen som kunde fungera vid dessa våglängder var antingen mycket komplexa eller hade extremt kort livstid.

"Vi kunde visa att vårt minne har en tillfredsställande livslängd och sammanhang i minnet, samtidigt som superpositionstillståndet skapades, "Gröblacher sa." Andra befintliga system med mekaniska superpositionstillstånd var mycket olika och vi var de första som uppfyllde viktiga kvantminneskrav med ett opto-mekaniskt system. "

Det kvantminne som skapats av Gröblacher och hans kollegor är fortfarande ett bevis på koncept, men dess prestanda är mycket lovande. I deras framtida studier, forskarna skulle vilja få en bättre förståelse för varför avfasningen av ett kvanttillstånd sker snabbare än dess livstid för att mildra denna effekt.

"Vi skulle vilja ta reda på hur vi kan undvika att ha en så kort sammanhang, kanske genom en annan design som kan hjälpa vår förståelse av de bakomliggande mikroskopiska mekanismerna, "Sa Gröblacher." Dessutom vi planerar att öka den totala effektiviteten i vårt minne (dvs. hur effektivt kan den skriva och läsa upp ett tillstånd). "

Under de närmaste åren, Gröblacher och hans kollegor hoppas att de kommer att kunna förbättra sitt kvantminnes prestanda ytterligare för att underlätta dess praktiska implementering. Dessutom, det optiska schema de föreslog skulle kunna inspirera utvecklingen av andra kvantminnekomponenter. Forskarnas yttersta mål är att använda det kvantminne de skapade för att möjliggöra stora kvantnätverk.

"Huvudapplikationen för vårt minne skulle vara som en del av ett kvantnätverk eller kvantrepeterare, "Gröblacher sa." Dess mekanik kan fungera som ett minneselement som möjliggör anslutningar med andra kvantsystem, såsom superledande qubits, som är mycket bra på att utföra kvantberäkning. Vi tycker att det skulle vara mycket intressant att använda vårt system som ett hybridkvantsystem i ett sådant nätverk. "

© 2020 Science X Network