Forskare vid universitetet i Basel har byggt ett kvantminneselement baserat på atomer i en liten glascell. I framtiden skulle sådana kvantminnen kunna massproduceras på en wafer.
Det är svårt att föreställa sig våra liv utan nätverk som internet eller mobiltelefonnät. I framtiden planeras liknande nätverk för kvantteknologier som kommer att möjliggöra tappsäker överföring av meddelanden med hjälp av kvantkryptografi och göra det möjligt att koppla kvantdatorer till varandra.
Liksom sina konventionella motsvarigheter kräver sådana kvantnätverk minneselement i vilka information tillfälligt kan lagras och dirigeras efter behov. Ett team av forskare vid universitetet i Basel under ledning av professor Philipp Treutlein har nu utvecklat ett sådant minneselement, som kan mikrotillverkas och därför lämpar sig för massproduktion. Deras resultat publicerades i Physical Review Letters .
Ljuspartiklar är särskilt lämpade för att överföra kvantinformation. Fotoner kan användas för att skicka kvantinformation genom fiberoptiska kablar, till satelliter eller in i ett kvantminneselement. Där måste fotonernas kvantmekaniska tillstånd lagras så exakt som möjligt och, efter en viss tid, omvandlas tillbaka till fotoner.
För två år sedan visade Basel-forskarna att detta fungerar bra med rubidiumatomer i en glascell. "Den där glascellen var dock handgjord och flera centimeter stor", säger postdoc Dr Roberto Mottola. "För att vara lämpliga för dagligt bruk måste sådana celler vara mindre och kunna produceras i stort antal."
Det är precis vad Treutlein och hans medarbetare nu har uppnått. För att använda en mycket mindre cell som bara mäter några millimeter, som de fick från massproduktionen av atomur, behövde de utveckla några knep. För att ha ett tillräckligt antal rubidiumatomer för kvantlagring trots cellens ringa storlek, var de tvungna att värma upp cellen till 100°C för att öka ångtrycket.
Dessutom exponerade de atomerna för ett magnetfält på 1 tesla, mer än 10 000 gånger starkare än jordens magnetfält. Detta förändrade atomenerginivåerna på ett sätt som underlättade kvantlagring av fotoner med hjälp av en extra laserstråle. Denna metod gjorde det möjligt för forskarna att lagra fotoner i cirka 100 nanosekunder. Fria fotoner skulle ha färdats 30 meter under den tiden.
"På det här sättet har vi för första gången byggt ett miniatyrkvantminne för fotoner varav cirka 1 000 kopior kan produceras parallellt på en enda skiva", säger Treutlein.
I det aktuella experimentet demonstrerades lagring med starkt dämpade laserpulser, men inom en snar framtid vill Treutlein, i samarbete med CSEM i Neuchatel, även lagra enstaka fotoner i miniatyrcellerna. Dessutom behöver formatet på glascellerna fortfarande optimeras, så att fotonerna lagras så länge som möjligt samtidigt som deras kvanttillstånd bevaras.
Mer information: Roberto Mottola et al, Optical Memory in a Microfabricated Rubidium Vapor Cell, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.260801. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2307.08538
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev , arXiv
Tillhandahålls av University of Basel
