Många fysiker och ingenjörer har försökt utveckla högeffektiva kvantteknologier som kan utföra liknande funktioner som konventionell elektronik som utnyttjar kvantmekaniska effekter. Detta inkluderar högdimensionella kvantminnen, lagringsenheter med större informationskapacitet och brustålighet än tvådimensionella kvantminnen.

Hittills har det visat sig vara utmanande att utveckla dessa högdimensionella minnen, och de flesta försök har inte gett tillfredsställande effektivitet. I en artikel publicerad i Physical Review Letters , ett forskarlag vid University of Science and Technology i Kina och Hefei Normal University introducerade nyligen ett tillvägagångssätt för att realisera ett mycket effektivt 25-dimensionellt minne baserat på kalla atomer.

"Vår grupp har använt det orbitala vinkelmomentläget i rymdkanalen för att studera högdimensionell kvantlagring och har samlat på sig en mängd forskningserfarenhet och teknologi", säger Dong Sheng Ding, medförfattare till tidningen, till Phys.org. "Att uppnå högdimensionell och högeffektiv kvantlagring har alltid varit vårt mål."

I sina tidigare studier fann Ding och hans kollegor att de singulära egenskaperna hos ett rumsligt mönster känt som det perfekta optiska virvelfältet kan vara särskilt fördelaktigt för utvecklingen av högdimensionella kvantminnen. Detta inspirerade dem att utnyttja den lägesoberoende interaktionen mellan ljus och materia som är förknippad med detta mönster för att realisera högdimensionell och effektiv kvantlagring.

"Den grundläggande principen för vår lagringsenhet är baserad på det elektromagnetiskt inducerade transparensfenomenet, vilket är interaktionen mellan ljus och materia," förklarade Ding. "I enkla termer saktas signalfotonerna ner till nollhastighet i mediet och lagras under en tidsperiod. Sedan kan den lagrade informationen för signalfotoner hämtas av kontrollampan."

Kvantsystemet skapat av forskarna består av signalfotoner, en kontrollljusstråle, en Rubidium-kallatomensemble som fungerar som lagringsmedium och en rumslig ljusmodulator som kodar och avkodar högdimensionell kvantinformation. Teamets minne kodar högdimensionell information om signalfotonerna, vilket slutligen realiserar den högdimensionella lagringen av information i mediet.

"Innan vårt arbete var effektivt kvantminne begränsat till tvådimensionella kvantsystem för lagring," sa Ding. "Fördelen med vårt arbete ligger i att utöka lagringsdimensionen från två till 25, vilket möjliggör förberedelse av högdimensionellt minne som fungerar i högdimensionellt Hilbert-utrymme. Detta utökar inte bara minneskapaciteten avsevärt och ökar den överföringsbara kapaciteten. av kvantkommunikation men har också potentiella implikationer för feltolerant kvantberäkning."

I inledande tester visade forskarna att deras kvantminne kan lagra 25-dimensionella högdimensionella tillstånd. Noterbart är dock att deras system också kan lagra godtyckliga högdimensionella tillstånd som sträcker sig från 1 till 25 dimensioner (d.v.s. inklusive 3-dimensionella, 5-dimensionella, 10-dimensionella tillstånd, och så vidare).

"Våra resultat visar vårt minnes kompatibilitet med programmerbara högdimensionella kvanttillstånd i intervallet 1 till 25 dimensioner," sa Ding. "Dessutom har vi teoretiskt analyserat skalbarheten av vårt minnes dimensionalitet. Genom att ytterligare optimera den optiska vägdesignen kan vi uppnå effektiv lagring av upp till 100 eller till och med högre dimensionella tillstånd, vilket visar upp de unika fördelarna med vårt högdimensionella lagringssystem ."

Det senaste arbetet av Ding och hans kollegor introducerade en ny mycket lovande metod för att uppnå effektiv högdimensionell kvantlagring. I framtiden skulle detta tillvägagångssätt kunna användas för att skapa olika högdimensionella kvantminnen, vilket i sin tur kan hjälpa till att realisera andra kvantteknologier, såsom högdimensionella kvantrepeaters.

"Särskilt, genom vårt tillvägagångssätt är det möjligt att realisera ett praktiskt högdimensionellt kvantminne," tillade Ding. "I framtiden kommer vi att etablera högdimensionella kvantrepeaters med hjälp av högdimensionella kvantminnen, vilket möjliggör högdimensionell kvantkommunikation mellan två eller flera avlägsna kvantnoder."

Mer information: Ming-Xin Dong et al, mycket effektiv lagring av 25-dimensionell fotonisk Qudit i ett kallatombaserat kvantminne, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.240801

Journalinformation: Fysiska granskningsbrev

© 2024 Science X Network