Spin Rephasing Extinde Stocarea Fotonilor Unici în Memoriile Cuantice
Cercetătorii de la ICFO au demonstrat că așa-numitul protocol de spin-rephasing poate prelungi semnificativ durata de stocare a stărilor de foton unic în memoriile cuantice solid-state. Rezultatele, publicate în Physical Review Letters și obținute în cadrul Quantum Internet Alliance (QIA), reprezintă un pas important spre construirea unui internet cuantic funcțional.
În timp ce internetul clasic transmite biți de informație prin rețele globale de calculatoare, internetul cuantic urmărește să distribuie qubiți — unități de informație care pot exista în superpoziție de 0 și 1 și pot fi corelate prin entanglement la un nivel inaccesibil biților clasici. Un element central pentru această infrastructură este repetorul cuantic, o arhitectură menită să distribuie entanglement pe distanțe mari. Repetorii cuantici necesită la rândul lor memorii cuantice capabile să păstreze o stare cuantică suficient de mult pentru a sincroniza măsurători între diferite segmente ale rețelei.
Echipa condusă de profesorul ICREA Hugues de Riedmatten, împreună cu cercetătorii Alberto Rodríguez Moldes, Dr. Félicien Appas, Jonathan Hänni, Dr. Jelena Rakonjac și Dr. Samuele Grandi, a folosit un cristal dopat cu ioni de praseodim, răcit la 3 kelvini într-un criostat, ca memorie cuantică. Experimentul a început prin generarea unei perechi de fotoni entangled: unul cu lungime de undă telecom, compatibil cu fibra optică pentru distribuție pe distanțe lungi, iar celălalt compatibil cu memoria cuantică.
În memoria cuantică a fost aplicat protocolul bine stabilit Atomic Frequency Comb (AFC), în care atomii din cristal absorb colectiv fotonul incident, creând o excitație atomică delocalizată. Un impuls de control optic transferă apoi excitația colectivă în starea de spin — un nivel care nu emite lumină — oprind efectiv emisia și stocând fotonul. Un al doilea impuls de control readuce ulterior ansamblul în starea excitată, declanșând emisia unui foton care păstrează informația originală.
Principala provocare o constituie dephasing-ul: deoarece mediul cristalin diferă ușor pentru fiecare ion, superpoziția inițială își pierde coerența, iar dacă timpul de stocare este prea lung, proprietățile cuantice ale fotonului emis se degradează. Protocolul de spin-rephasing contracarează acest efect prin trimiterea unei serii de impulsuri radiofrecvență care inversează faza acumulată de fiecare ion după un anumit interval. După ce trece din nou același interval, faza nou acumulată compensează faza inversată, restabilind excitația colectivă de spin.
Echipa a reușit astfel să stocheze fotoni unici timp de până la 180 de microsecunde — cel mai lung timp raportat pentru acest tip de memorie — corespunzând unei distanțe echivalente de peste 30 de kilometri de fibră optică. Mai important, cercetătorii au folosit lumină cuantică și au demonstrat că între memoria cuantică supusă spin-rephasing și fotonul telecom există corelații cuantice.
„Spin-rephasing a fost demonstrat în trecut cu stări de intrare clasice, dar rezultatele noastre arată că poate fi extins la lumină cuantică”, explică de Riedmatten. „Schema noastră stabilește astfel memoriile cuantice dopate cu praseodim ca un candidat major pentru implementarea scalabilă a rețelelor cuantice.”
Potrivit primului autor al studiului, Rodríguez Moldes, în viitor vor fi disponibile timpi de stocare mai lungi prin aplicarea unor câmpuri magnetice mici asupra memoriei cuantice. Rezultatele apropie cercetarea de realizarea practică a internetului cuantic.
