بخار روبیدیم حافظه کوانتومی خوبی ایجاد می کند

یافتن روشی قابل اعتماد برای ذخیره اطلاعات کوانتومی در مرکز تلاش‌ها برای ایجاد یک است اینترنت کوانتومی. برخلاف داده‌های کلاسیک، اطلاعات کوانتومی را نمی‌توان کپی یا تقویت کرد، و در حالی که اینترنت کلاسیک داده‌ها را از طریق فناوری‌های بالغ مانند روترها و سوئیچ‌هایی که تار عنکبوت سیم‌ها و کابل‌ها را به هم وصل می‌کنند، منتقل می‌کند، بلوک‌های سازنده اینترنت کوانتومی هنوز در دست ساخت هستند. به طور مشابه، هر قطعه از یک سیستم الکترونیکی کلاسیک دارای یک بافر است که اطلاعات می‌تواند به طور موقت قبل از پردازش در آن بماند، اما یافتن راهی برای "به خاطر سپردن" حالات کوانتومی شکننده یک چالش طولانی مدت است.

اکنون محققان دانشگاه بازل سوئیس این کار را انجام داده اند نشان چنین حافظه کوانتومی در آزمایش آنها، یک لامپ شیشه ای پر از گاز روبیدیم (یک سلول بخار) فوتون های ورودی را دریافت می کند که اطلاعات کوانتومی را منتقل می کند، این اطلاعات را به طور موقت ذخیره می کند و سپس فوتون های جدیدی را برای انتقال اطلاعات تولید می کند. علاوه بر این، برخلاف بسیاری از سیستم‌های کوانتومی، حافظه کوانتومی سلول بخار می‌تواند در دمای اتاق یا بالاتر از آن کار کند و مونتاژ آن نسبتاً ساده است و آن را به یک نامزد عالی برای استقرار در شبکه‌های کوانتومی تبدیل می‌کند.

فوتون ها در حال انتقال

ویژگی کلیدی که ارتباطات کوانتومی را بسیار چالش برانگیز می کند نیز بخش بزرگی از جذابیت آن است. از آنجایی که اطلاعات ذخیره شده در حالت های کوانتومی فوتون ها را نمی توان کپی کرد (برخلاف سیگنال های الکترونیکی که از کابل عبور می کنند)، یک شخص ثالث مخرب نمی تواند داده های کوانتومی را بدون هشدار به فرستنده یا گیرنده رهگیری کند.

با این حال، از آنجایی که داده های کوانتومی را نمی توان کپی کرد، نمی توان به راحتی آن را نیز تقویت کرد. بدون تقویت، سیگنالی که در امتداد کابل فیبر نوری حرکت می کند در طول مسافت ضعیف تر می شود. این امر انتقال داده را در بهترین حالت به چند صد کیلومتر محدود می کند.

یکی از راه های جلوگیری از این مشکل، معرفی تکرار کننده ها بین فرستنده و گیرنده است. هر دو تکرار کننده می توانند فوتون ها را مبادله کنند تا خاطرات مربوطه خود را در هم ببندند. سپس از درهم تنیدگی مشترک می توان برای انتقال اطلاعات از یک سر به سر دیگر استفاده کرد.

ذخیره و بازیابی فوتون ها

از آنجایی که روترها اطلاعات کوانتومی را منتقل می کنند، به راهی برای ذخیره موقت اطلاعات قبل از ارسال ایمن به ایستگاه بعدی نیاز دارند. اینجا جایی است که حافظه های کوانتومی وارد می شوند.

برای آزمایش در بازل، محققان با مقداردهی اولیه اتم های روبیدیم در سلول بخار خود به حالت پایه شروع کردند. هنگامی که فوتون های ورودی از یک منبع تک فوتون با اتم روبیدیم در این سلول برهم کنش می کنند، اتم وارد برهم نهی حالت های کوانتومی می شود. این فرآیند را می توان معکوس کرد تا سلول بخار فوتون های حاوی اطلاعاتی را که به تازگی جذب کرده است منتشر کند.

در حالی که حافظه‌های کوانتومی یک هدف مورد مطالعه برای مطالعه بوده‌اند، قبلاً راهی برای کارکرد قابل اعتماد آن‌ها در دمای اتاق یا بالاتر از آن وجود نداشته است. مطابق با جیانی بوزر، نویسنده اصلی مقاله در PRX کوانتومی در مورد این تحقیق، دستگاه‌های مبتنی بر اتم‌های سرد یک رابط کارآمد بین منابع فوتون و حافظه‌ها را نشان داده‌اند. با این حال، این آزمایش‌ها کند هستند و پهنای باند پایینی دارند. بعلاوه، تنظیم حافظه های اتم سرد در خارج از آزمایشگاه دشوار است. بازر می افزاید: استفاده از سلول بخار تضمین می کند که دستگاه می تواند بالاتر از دمای اتاق در طیف وسیعی از موارد استفاده شود - چیزی که زمانی مهم است که "در نظر بگیرید که چگونه حافظه در همه جا در شبکه های کلاسیک و ارتباطات استفاده می شود." بلوک ساختمانی اساسی نیز باید بسیار قوی باشد.

چالش دیگر با حافظه های مبتنی بر سلول های بخار، خواندن فوتون ها پس از ذخیره سازی است. یک حافظه تنها زمانی معنا دارد که اطلاعات ذخیره شده در آن قابل خواندن باشد، اما در یک سلول بخار، اتم ها با یکدیگر و با دیواره های سلول برخورد می کنند و کیفیت فوتون های آزاد شده را کاهش می دهند. بوزر و تیمش با توسعه تکنیک هایی برای کاهش نویز خواندن، موفق شدند فوتون های ذخیره شده برای چند صد نانوثانیه را بخوانند - مدت زمان کمی در مقیاس انسانی، اما زمان طولانی برای پالس های فوتون مورد استفاده در آزمایش، که خود فقط یک چند نانوثانیه

به گفته بوسر، راه های ساده ای برای بهبود نتیجه تیمش وجود دارد. آزمایش منتشر شده بر روی یک سلول روبیدیومی معمولی و تجاری موجود است. همکاری با متخصصان سلول‌های بخار می‌تواند راه درازی را در جهت سازگارتر کردن قلب آزمایش با هدف آن انجام دهد.» پوشاندن سلول با موادی مانند پارافین همچنین اطلاعات کوانتومی از دست رفتن اتم ها را با دیواره های سلول کاهش می دهد. در واقع، Buser خوشبین است که زمان های ذخیره سازی حافظه می تواند به مقادیری در حد یک ثانیه برسد، که به گفته او "واقعاً یک ابدیت برای یک فوتون است".