Chip cuantic reține mai mulți fotoni simultan, deschizând calea spre memorii scalabile
Cercetătorii au dezvoltat o platformă nanofotonică integrată care permite stocarea pe termen mai lung a fotonilor, un pas important pentru viitoarele memorii cuantice. Rezultatele au fost publicate în Nano Letters.
Informația cuantică este transportată prin fotoni, particule de lumină care trebuie adesea oprite temporar în timp ce alte operații cuantice, mai lente, își finalizează procesarea. Această stocare trebuie realizată pe microcipuri de aproximativ un centimetru, distanță parcursă de lumină în câteva trilionimi de secundă. Reținerea fotonilor pentru o microsecundă reprezintă un progres major.
Cercetarea, condusă de Elizabeth Goldschmidt, profesor de fizică, descrie o platformă integrată care combină arderea găurilor spectrale cu scalabilitatea niobatului de litiu în film subțire, oferind potențial pentru fabricație scalabilă, cu implicații pentru fotonica clasică și cuantică.
„Nimeni altcineva nu a stocat lumină pe un cip într-o astfel de platformă, cu acest potențial de scalabilitate”, a declarat Priyash Barya, student la inginerie electrică și co-prim autor al lucrării. „Tehnica noastră este singura modalitate de a face acest lucru și o aplicăm pe una dintre platformele de top pentru optica cuantică și sistemele de informație cuantică.”
Există două metode principale de stocare a fotonilor. Fotonica convențională, care folosește componente macroscopice precum fibre optice și oglinzi, poate întârzia lumina prelungindu-i traseul, dar fotonii sunt ușor absorbiți de materie, iar distanțele mari cresc probabilitatea absorbției. Alternativ, fotonii pot fi cuplați cu atomi foarte coerenți pentru stocare îndelungată, dar integrarea acestor atomi în platforme nanofotonice scalabile este dificilă.
„Întârzierile lungi sunt o problemă nerezolvată în procesarea informației cuantice”, a spus Daren Chen, student la fizică și co-prim autor. „Am dorit să demonstrăm o abordare promițătoare folosind platforma noastră nanofotonică.”
Echipa a fabricat un ghid de undă nanoscopic din niobat de litiu în film subțire, dopat cu atomi de erbiu, care au proprietăți cuantice dorite. Un laser reglabil a aranjat spectral atomii într-un model de tip pieptene, cu spațiere uniformă între vârfurile de frecvență. Acest design, cunoscut ca pieptene de frecvență atomic, permite atomilor să „prindă” și să „rețină” temporar fotonii pentru o perioadă predeterminată.
Dispozitivul a demonstrat păstrarea cu fidelitate înaltă a informației cuantice, cu timpi de stocare de peste 1 microsecundă și capacitatea de a stoca mai mulți fotoni simultan. Are potențial pentru scalabilitate comercială și este ușor de replicat.
„Nu este un dispozitiv unicat”, a spus Goldschmidt. „Promisiunea constă în simplitatea sa: am luat ceva ce se poate face de obicei doar într-un laborator specializat și l-am recreat într-o platformă care poate fi produsă comercial la scară de către persoane fără cunoștințe de optică cuantică.”
Goldschmidt vede platforma ca un pas spre integrarea memoriilor cuantice în calculatoare cuantice scalabile și rețele de comunicații. O versiune practică va trebui să demonstreze eficiență mai bună de recuperare și timpi de stocare mai lungi, eforturi pe care grupul le va continua prin îmbunătățirea pieptenelui de frecvență și experimentarea cu izotopi de erbiu mai rezistenți la zgomot.
„Acest proiect este o componentă din ceea ce lucrăm”, a spus Goldschmidt. „Construim capabilități în această platformă de fotonica integrată și avem multe alte planuri pentru a folosi această tehnică de adaptare spectrală a ansamblului pentru a construi alte dispozitive pentru fotonica cuantică.”
