Kvantminnen är en av byggstenarna i framtidens kvantinternet. Utan dem skulle det vara ganska omöjligt att överföra kvantinformation över långa avstånd och expandera till ett riktigt kvantnätverk. Dessa minnen har som uppdrag att ta emot kvantinformationen kodad i en foton i form av qubits, lagra den och sedan hämta den. Kvantminnen kan realiseras i olika materialsystem, till exempel ensembler av kalla atomer eller dopade kristaller.

För att vara användbara minnen måste de uppfylla flera krav, såsom effektiviteten, varaktigheten och multiplexeringen av deras lagringskapacitet, för att säkerställa kvaliteten på den kvantkommunikation som de kommer att stödja. Ett annat krav som har blivit en fråga för omfattande forskning är att designa kvantminnen som kan integreras direkt i det fiberoptiska nätverket.

Under de senaste åren och med kvantteknologiernas uppsving har det varit mycket arbete inriktat på att förbättra skalbarheten av befintliga kvantminnen (göra dem mindre och/eller enklare enheter) för att underlätta deras integration och distribution i ett verkligt nätverk. Ett sådant helt integrerat tillvägagångssätt kommer med flera fysiska och tekniska hinder, inklusive att hitta en lösning som bevarar goda koherensegenskaper, tillhandahåller ett effektivt och stabilt system för att överföra fotoner från optiska fibrer till kvantminnet, samt miniatyrisering av styrsystemet för kvantminnet och dess gränssnitt med inkommande ljus. Allt detta bör utföras samtidigt som man når samma prestandanivå som erhålls i "standard" bulkversioner av enheten. Detta har hittills visat sig vara utmanande, och nuvarande realiseringar av fiberintegrerade kvantminnen är långt ifrån vad som kan nås i bulkminnen.

Med dessa mål tydliga, i ett nyligen publicerat arbete i Science Advances , ICFO-forskarna Jelena Rakonjac, Dario Lago-Rivera, Alessandro Seri och Samuele Grandi, ledda av ICREA Prof. vid ICFO Hugues de Riedmatten, i samarbete med Giacomo Corrielli och Roberto Osellame från IFN-CNR och Margherita Mazzera från Heriot-Watt University, har kunnat demonstrera intrassling mellan ett fiberintegrerat kvantminne och en telekommunikationsvåglängdsfoton.

Ett speciellt kvantminne

I sitt experiment använde teamet en kristall dopad med praseodym som sitt kvantminne. En vågledare laserskrivs sedan inuti minnet. Detta är en kanal i mikrometerskala i kristallen som begränsar och styr fotonen i ett trångt utrymme. Två identiska optiska fibrer fästes sedan på båda sidor av kristallen för att ge ett direkt gränssnitt mellan fotoner som bär kvantinformation och minnet. Denna experimentella uppställning möjliggjorde en helt fiberanslutning mellan kvantminnet och en källa för fotoner.

För att bevisa att detta integrerade kvantminne kan lagra intrassling, använde teamet en källa med intrasslade fotonpar där en foton är kompatibel med minnet, medan den andra har telekomvåglängd. Med denna nya uppställning kunde de lagra fotoner från 2 µs upp till 28 µs och bevara intrasslingen av fotonparen efter lagring. Det erhållna resultatet är en stor förbättring eftersom lagringstiden för intrassling som teamet visar är 1 000 gånger längre (tre storleksordningar) än någon annan tidigare fiberintegrerad enhet som har använts hittills, och närmar sig de prestanda som observerats i kvantminnen i bulk.

Detta var möjligt tack vare enhetens helt integrerade karaktär, vilket möjliggjorde användningen av ett mer sofistikerat kontrollsystem än tidigare insikter. Slutligen, eftersom förvecklingen delades mellan en synlig foton lagrad i kvantminnet och en vid telekomvåglängder, bevisade teamet också att systemet är helt kompatibelt med telekommunikationsinfrastruktur och lämpligt för långdistanskvantkommunikation.

Demonstrationen av denna typ av integrerat kvantminne öppnar upp för många nya möjligheter, särskilt när det gäller multiplexering, skalbarhet och ytterligare integration. Som Jelena Rakonjac betonar, "det här experimentet har gett oss stora förhoppningar i den meningen att vi föreställer oss att många vågledare kan tillverkas i en kristall, vilket skulle göra det möjligt för många fotoner att lagras samtidigt i en liten region och maximera kapacitetsegenskaperna hos kvantminne. Eftersom enheten redan är fiberkopplad kan den också lättare kopplas samman med andra fiberbaserade komponenter."

Hugues de Riedmatten avslutar med att konstatera att "vi är stolta över detta resultat som öppnar många möjligheter för fiberintegrerade minnen. Det som är tydligt är att just detta material och sätt att skapa vågledare gör att vi kan uppnå prestationer nära bulkminnen. I framtiden, utvidgning av lagringen till spin-tillstånd kommer att möjliggöra on-demand-hämtning av de lagrade fotonerna och leda till de långa lagringstider som vi har siktat på. Detta fiberintegrerade kvantminne visar definitivt mycket lovande för framtida användning i kvantnätverk." + Utforska vidare

Forskare uppnår rekordtrassling av kvantminnen