Natuurkundigen analyseerden eerst de ruis in een kwantumgeheugen van het lambda-type

In de toekomst zullen communicatienetwerken en computers informatie gebruiken die is opgeslagen in objecten die worden beheerst door de microscopische wetten van de kwantummechanica. Deze mogelijkheid kan connectiviteit ondersteunen met sterk verbeterde beveiliging en computers met ongekende kracht. Een essentieel onderdeel van deze technologieën zullen geheugenapparaten zijn die in staat zijn kwantuminformatie op te slaan die naar believen kan worden opgehaald.

Virginia Lorenz, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Illinois, Urbana-Champaign, bestudeert optische kwantumgeheugenapparaten van het Lambda-type, een veelbelovende technologie gebaseerd op de interactie van licht met een grote verzameling atomen. Samen met afgestudeerde student Kai Shinbra ontwikkelt ze een apparaat op basis van hete metalen stoom.

Terwijl de onderzoekers werken aan een praktisch apparaat, presenteren ze ook enkele van de eerste theoretische analyses van apparaten van het Lambda-type. Onlangs rapporteerden ze de eerste op variantie gebaseerde gevoeligheidsanalyse die de effecten van ruis en experimentele onvolkomenheden in beschrijft fysieke beoordeling a.

“Voorafgaand aan dit artikel moest je er gewoon van uitgaan dat alles in het kwantumgeheugen zich perfect gedraagt”, zei Shenbro. “Dit is de eerste keer dat zaken als ruis zijn overwogen, en de resultaten van onze analyses vormen de basis voor het experimentele ontwerp.”

Het kwantumgeheugen van het Lambda-type maakt gebruik van een reeks atomen die interageren met twee soorten licht: enkele fotonen die kwantuminformatie bevatten die worden geabsorbeerd, en krachtige laserpulsen die bepalen wanneer de informatie van de fotonen wordt geabsorbeerd en vrijgegeven. Er zijn veel opslag- en ophaalprotocollen die afhankelijk zijn van verschillende mechanismen, en de beste optie wordt bepaald door de eigenschappen van de atomen en de gecontroleerde laserpulsen.

Eerdere analyses van deze protocollen gingen uit van ideale omstandigheden. Effecten zoals apparaatruis en kleine fouten in experimentele instellingen worden niet besproken. Shenbro en Lorenz moesten deze effecten begrijpen om een ​​robuust kwantumgeheugenapparaat te ontwikkelen, dus vulden ze dit gat in de literatuur. Ze analyseerden het effect van zowel willekeurige apparaatruis als langzame totale afwijking in experimentele parameters op de geheugenefficiëntie van een Lambda-type apparaat, wat een maat is voor hoe vaak het apparaat werkt zoals bedoeld.

“De technieken die we gebruikten zijn goed ingeburgerd in de klassieke natuurkunde en geometrie, maar we passen ze voor het eerst toe op een kwantumsysteem”, zei Shinbrough.

Naast het kijken naar hoe ruis en drift in experimentele parameters afzonderlijk de prestaties van apparaten beïnvloeden, gebruikten de onderzoekers Sobol’s gevoeligheidsanalysetechniek om te bestuderen hoe gelijktijdige variatie van alle parameters de geheugenefficiëntie beïnvloedde. Zo konden ze per protocol bepalen welke parameters de meeste invloed hadden en hoe verschillen in de verschillende parameters werden gecombineerd.

Een centraal resultaat van deze analyse, legde Shinbrough uit, is een goed begrip van hoe verschillende experimentele parameters kunnen worden aangepast om defecten in verschillende instellingen te compenseren. Hij gaf een voorbeeld van de variatie in de aankomsttijden van de stuurpuls en het enkele foton. Elk geheugenmechanisme vertrouwt op een zorgvuldig afgestemde vertraging in toegangstijden. Als deze vertraging begint te drijven, kan ervoor worden gezorgd dat de stuurpuls langer meegaat, zodat de interferentie met het individuele foton ongeveer hetzelfde is en het effect op de geheugenefficiëntie wordt verzacht.

De resultaten van deze analyse hebben de experimentele inspanningen van Shinbrough en Lorenz geïnformeerd. De onderzoekers ontdekten dat sommige effecten, zoals variaties in hete metaaldamp, vaak te verwaarlozen zijn, terwijl andere, zoals de kenmerken van een gecontroleerde puls, een aanzienlijke invloed kunnen hebben op de experimentele prestaties.

“Dankzij onze analyses konden we een beter geïnformeerde ervaring ontwikkelen terwijl we ten volle konden profiteren van de kenmerken van onze apparaten”, zei Lorenz. “Bovendien hebben we een raamwerk ontwikkeld waarmee anderen dezelfde analyses van hun experimenten kunnen uitvoeren.”