Forskare vid Köpenhamns universitets Niels Bohr Institute har utvecklat ett nytt sätt att skapa kvantminne:En liten trumma kan lagra data som skickas med ljus i sina ljudvibrationer, och sedan vidarebefordra data med nya ljuskällor när det behövs igen. Resultaten visar att mekaniskt minne för kvantdata kan vara strategin som banar väg för ett ultrasäkert internet med otroliga hastigheter.
Forskningen är publicerad i tidskriften Physical Review Letters .
Strax under Niels Bohrs gamla kontor finns en källare där utspridda bord är täckta med små speglar, lasrar och en samling av alla typer av apparater sammankopplade med nät av trådar och högar av tejp. Det ser ut som att ett barns projekt gått för långt, ett som deras föräldrar förgäves har försökt få dem att städa upp.
Även om det är svårt för det otränade ögat att urskilja att dessa tabeller faktiskt är hem för en rad världsledande forskningsprojekt, händer det viktiga inom världar så små att inte ens Newtons lagar gäller. Det är här Niels Bohrs kvantfysiska arvtagare utvecklar den mest banbrytande kvantteknologin.
Ett av dessa projekt utmärker sig – åtminstone för fysiker – genom att en pryl som är synlig för blotta ögat kan uppnå kvanttillstånd. Kvanttrumman är ett litet membran tillverkat av ett keramiskt, glasliknande material med hål utspridda i ett snyggt mönster längs kanterna.
När trumman slås med ljuset från en laser börjar den vibrera, och gör detta så snabbt och utan störningar att kvantmekaniken spelar in. Denna egenskap har sedan länge väckt uppståndelse genom att öppna upp ett antal kvantteknologiska möjligheter.
Nu har ett samarbete över olika kvantområden vid Institutet visat att trumman även kan spela en nyckelroll för framtidens nätverk av kvantdatorer. Liksom moderna alkemister har forskare skapat en ny form av "kvantminne" genom att omvandla ljussignaler till ljudvibrationer.
I sin just publicerade forskningsartikel har forskarna bevisat att kvantdata från en kvantdator som sänds ut som ljussignaler – t.ex. genom den typ av fiberoptisk kabel som redan används för höghastighetsinternetanslutningar – kan lagras som vibrationer i trumma och sedan vidarebefordras.
Tidigare experiment hade visat för forskare att membranet kan förbli i ett annars ömtåligt kvanttillstånd. På grundval av detta anser de att trumman ska kunna ta emot och sända kvantdata utan att den "avkoherar", dvs. förlorar sitt kvanttillstånd när kvantdatorerna är klara.
"Detta öppnar stora perspektiv för den dag då kvantdatorer verkligen kan göra vad vi förväntar oss att de ska. Kvantminne kommer sannolikt att vara grundläggande för att skicka kvantinformation över avstånd. Så det vi har utvecklat är en avgörande del i själva grunden för ett framtidens internet med kvanthastighet och kvantsäkerhet", säger postdoc Mads Bjerregaard Kristensen från Niels Bohr Institute, huvudförfattare till den nya forskningsartikeln.
När information överförs mellan två kvantdatorer över ett avstånd – eller bland många i ett kvantinternet – kommer signalen snabbt att överröstas av brus. Mängden brus i en fiberoptisk kabel ökar exponentiellt ju längre kabeln är. Så småningom kan data inte längre avkodas.
Det klassiska Internet och andra stora datornät löser detta brusproblem genom att förstärka signaler i små stationer längs överföringsvägar. Men för att kvantdatorer ska kunna tillämpa en analog metod måste de först översätta data till vanliga binära talsystem, som de som används av en vanlig dator.
Det här går inte. Att göra det skulle sakta ner nätverket och göra det sårbart för cyberattacker, eftersom oddsen för att klassiskt dataskydd ska vara effektivt i en kvantdatorframtid är mycket dåliga.
"Istället hoppas vi att kvanttrumman kommer att kunna ta på sig denna uppgift. Den har visat sig lovande eftersom den är otroligt väl lämpad för att ta emot och återsända signaler från en kvantdator. Så målet är att utöka kopplingen mellan kvantum. datorer genom stationer där kvanttrummor tar emot och återsänder signaler, och på så sätt undviker brus samtidigt som data behålls i ett kvanttillstånd", säger Kristensen.
"Genom att göra det kommer kvantdatorernas hastigheter och fördelar, t.ex. i förhållande till vissa komplexa beräkningar, att sträcka sig över nätverk och Internet, eftersom de kommer att uppnås genom att utnyttja egenskaper som superposition och intrassling som är unika för kvanttillstånd."
Om det lyckas kommer stationerna också att kunna utöka kvantsäkra anslutningar, vars kvantkoder också kan förlängas av trumman. Dessa säkra signaler skulle kunna skickas över olika avstånd – oavsett om det är runt ett kvantnätverk eller över Atlanten – i framtidens kvantinternet.
Forskning bedrivs på annat håll till ett alternativ där en databärande ljuskälla riktas mot ett atomsystem och tillfälligt förskjuter elektronerna i atomen, men metoden har sina begränsningar.
"Det finns gränser för vad du kan göra med ett atomsystem, eftersom vi inte kan designa atomer eller frekvensen av ljuset som de kan interagera med oss själva. Vårt relativt "stora" mekaniska system ger mer flexibilitet. Vi kan mixtra och justera , så att om nya upptäckter ändrar spelets regler, finns det en god chans att kvanttrumman kan anpassas", förklarar professor Albert Schliesser, medförfattare till forskningsartikeln.
"På gott och ont är våra förmågor som forskare mest det som definierar gränserna för hur bra det hela fungerar", påpekar han.
Trumman är den senaste och mest seriösa varianten av mekaniskt kvantminne eftersom den kombinerar ett antal egenskaper:Trumman har låg signalförlust – dvs. datasignalens styrka bibehålls väl. Det har också den enorma fördelen att kunna hantera alla ljusfrekvenser, inklusive den frekvens som används i de fiberoptiska ljuskablar som det moderna internet är byggt på.
Kvanttrumman är också bekväm eftersom data kan lagras och läsas när det behövs. Och de rekordlånga 23 millisekunders minnestid som redan uppnåtts av forskare gör det mycket mer sannolikt att tekniken en dag kan bli en byggsten för system av kvantnätverk såväl som hårdvaran i kvantdatorer.
"Vi är tidigt ute med den här forskningen. Kvantdatorer och kommunikation är fortfarande i ett tidigt utvecklingsstadium, men med det minne vi har skaffat kan man spekulera i att kvanttrumman en dag kommer att användas som ett slags kvantminne, ett slags tillfälligt arbetsminne för kvantinformation Och det skulle vara banbrytande”, säger professorn.
Mer information: Mads Bjerregaard Kristensen et al, Long-lived and Efficient Optomechanical Memory for Light, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.100802
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av Köpenhamns universitet
