Pertukaran maklumat di had kuantum

Foton tunggal menghantar misteri kepada atom tunggal

Dengan denyutan cahaya yang lemah, maklumat kuantum yang disimpan dalam foton individu dipindahkan ke atom rubidium tunggal, disimpan dan dibaca dari sana. © Andreas Neuzner / MPQ
membaca dengan kuat

Untuk pertama kalinya, para penyelidik dapat memindahkan maklumat kuantum yang dikodkan dalam satu foton tunggal ke atom tunggal, menyimpannya di sana untuk masa yang tertentu dan kemudian membacanya semula.

"Ini memberikan kita satu nod sejagat untuk rangkaian kuantum, " jelas Profesor Gerhard Rempe dari Max Planck Institute of Quantum Optics, menjelaskan pentingnya hasilnya.

Eksperimen itu membuka perspektif baru untuk merealisasikan rangkaian kuantum yang boleh terbaca, di mana maklumat kuantum disampaikan melalui jarak jauh melalui foton dan diedarkan di antara beberapa nod, laporan Rempe bersama rakan-rakannya dalam edisi dalam talian semasa jurnal sains "Alam".

Miniaturisasi adalah sangkakala

Oleh kerana penyempitan struktur yang digunakan untuk penyimpanan maklumat terus berkembang, batas-batas kini sedang dicapai di mana undang-undang fizik klasik tidak lagi digunakan, tetapi mekanik kuantum. Peranti memori terkecil yang terkandung hanya terdiri daripada satu atom, manakala unit terkecil untuk komunikasi data optik adalah satu kuantum cahaya - foton. Di samping itu, ciri-ciri khas zarah kuantum boleh digunakan untuk aplikasi novel, contohnya untuk transmisi data ketepatan, kriptografi kuantum.

Walau bagaimanapun, ini memerlukan pembangunan konsep baru untuk penghantaran dan pemprosesan maklumat. Konsep yang menjanjikan adalah rangkaian kenangan kuantum yang saling berkomunikasi. Di satu pihak, maklumat kuantum yang terkandung dalam sistem kuantum pegun perlu dipindahkan ke foton. Pemancar sedemikian untuk quanta cahaya berdasarkan atom tunggal telah direalisasikan oleh Jabatan Quantum Dynamics beberapa tahun lalu. paparan

Ans Atom

Sebaliknya, sedikit kuantum fotonik perlu ditulis semula ke dalam elemen ingatan pegun dan dibaca dari sana sebagai yang tidak diserap mungkin. Setakat ini, hanya kenangan berdasarkan ensemble atom beberapa ribu zarah, yang mana maklumat kuantum dipetakan sebagai pengujaan kolektif, telah memenuhi keperluan ini.

Walau bagaimanapun, lebih berfaedah untuk bertukar maklumat secara langsung di antara zarah kuantum individu cahaya atau perkara yang boleh ditangani secara khusus dan dimanipulasi. Ini akan memudahkan aplikasi praktikal, contohnya dalam komputer kuantum.

Atom Rubidium sebagai ingatan kuantum

Dalam eksperimen baru, penyelidik Max Planck mula-mula menggunakan satu atom rubidium sebagai memori kuantum. Untuk meningkatkan interaksi semulajadi lemah dengan satu foton tunggal, ahli fizik di Garching menangkap atom dalam resonator optik yang dibentuk oleh dua cermin yang sangat mencerminkan.

Di sana ia diadakan dengan balok laser, sementara foton masuk berjalan sekitar dua puluh ribu kali bolak-balik antara cermin. Pertama, maklumat kuantum yang disimpan dalam kuantum cahaya harus dihantar ke atom.

Lapisan kohesi

Tidak seperti bit klasik, yang mewakili salah satu daripada dua nilai, contohnya sifar atau satu, bit kuantum sentiasa merupakan superposisi yang koheren dua state quantum menerangkan Holger Specht, saintis pada eksperimen tersebut. "Sejajar dengan itu, kita mengodkan foton dengan superposisi yang koheren dua negara polarisasi, contohnya polarisasi kanan dan pekeliling kiri."

Denyutan cahaya dari laser kawalan memulakan transmisi maklumat kuantum optik: atom masuk ke dalam keadaan yang, dan ini adalah helah terdiri daripada superposisi kohesif dua sublevels. Perkadaran relatif dua sub-negeri sesuai dengan proporsi masing-masing dari kedua-dua keadaan polarisasi foton input, kata para penyelidik.

Pembacaan foton juga dilakukan dengan bantuan laser kawalan. Kini proses berjalan dalam urutan terbalik dan sedikit kuantum fotonik dilepaskan semula. Kecekapan adalah sekitar sepuluh peratus. Beberapa siri eksperimen, di mana keadaan polarisasi foton berubah, menunjukkan bahawa perjanjian dengan foton input sentiasa melebihi 90 peratus.

"Perkakasan" terdiri daripada hanya satu atom

"Kuantum asal cahaya dihasilkan jauh lebih baik dengan kaedah kami daripada mungkin dengan kaedah mengukur klasik, " jelas Christian N lleke, seorang pelajar kedoktoran dalam eksperimen. Kedua-dua dari segi kecekapan dan penentuan semula maklumat kuantum, sistem tersebut setanding dengan kedai quantum terbaik di dunia, walaupun "perkakasan" terdiri daripada hanya satu atom. Pada masa yang sama, maklumat kuantum rapuh disimpan selama hampir 200 mikrodetik. Ia melepasi semua nilai yang telah dicapai sebelumnya dengan kenangan kuantum optik.

"Kedua-dua keadaan reproduktif dan penyimpanan boleh meningkat dengan ketara dengan mengoptimumkan keadaan sempadan eksperimen, " kata Stephan Ritter, saintis dalam Jabatan Dinamik Kuantum.

Matlamat seterusnya: rangkaian kuantum asas

Dalam langkah seterusnya, saintis ingin menggunakan kaedah ini untuk merealisasikan rangkaian kuantum asas yang terdiri daripada dua nod berkomunikasi.

Tambahan pula, menurut para saintis, kerana sifatnya yang universal, modul memori yang ditunjukkan juga sesuai untuk pembangunan pengulang kuantum optik dan gerbang kuantum, yang digunakan untuk penghantaran maklumat kuantum dalam jarak yang jauh dan merealisasikan komputer kuantum diperlukan. (Alam, Pendahuluan Penerbitan Dalam Talian, 2011; doi: 10.1038 / nature09997)

(Institut Optik Kuantum Max Planck, 02.05.2011 - DLO)