Recente ontwikkelingen in de kwantumfysica hebben een aanzienlijke sprong voorwaarts opgeleverd: een nieuw kwantumgeheugenontwerp dat ongekende efficiëntie en betrouwbaarheid demonstreert. Onderzoekers van de Shanghai Jiao Tong Universiteit en de East China Normal University hebben een Raman-kwantumgeheugen ontwikkeld dat in staat is om kwantuminformatie op te slaan en op te halen met een efficiëntie van 94,6% en een betrouwbaarheid van 98,91% – wat effectief de “perfectie” in kwantumopslag benadert.
De uitdaging van het kwantumgeheugen
Kwantumgeheugens zijn cruciale componenten voor toekomstige kwantumtechnologieën, waaronder kwantumcomputers, kwantumcommunicatie over lange afstanden en geavanceerde detectiesystemen. Eerdere ontwerpen hadden echter inherente beperkingen: hoge efficiëntie ging vaak ten koste van verminderde betrouwbaarheid, en omgekeerd. Het voornaamste obstakel was ongewenste ruis en willekeurige fluctuaties die de opgeslagen kwantuminformatie aantasten. Het bereiken van zowel hoge efficiëntie en hoge betrouwbaarheid is een centrale uitdaging in het veld geweest.
Een wiskundig begeleide oplossing
De doorbraak, beschreven in Physical Review Letters, concentreert zich op een nieuwe benadering voor het beheersen van atoom-licht-interacties tijdens kwantumopslag. Het team maakte gebruik van een verre resonant Raman-schema, dat breedbandopslag en snellere signaalverwerking mogelijk maakte in vergelijking met andere methoden. Cruciaal was dat ze een nauwkeurige, adaptieve controletechniek introduceerden, gebaseerd op het principe van atoom-licht spatiotemporele mapping, wiskundig beschreven door de Hankel-transformatie. Met deze methode kan het geheugen worden afgestemd op optimale prestaties, waardoor ruis wordt geminimaliseerd en de betrouwbaarheid wordt gemaximaliseerd.
“In wezen is dit werk de eerste keer dat het fysieke mechanisme achter de atoom-licht mapping in het kwantumgeheugen wordt blootgelegd”, legt professor Weiping Zhang, hoofdonderzoeker aan de Shanghai Jiao Tong Universiteit, uit. “In de praktijk betekent dit werk een doorbraak in de ontwikkeling van een nieuwe methode en veelbelovende techniek om een benchmark voor kwantumgeheugen te bereiken.”
De afweging tussen efficiëntie en betrouwbaarheid doorbreken
De onderzoekers hebben hun aanpak met succes geïmplementeerd met behulp van een warme rubidium-87 (⁸⁷Rb) damp, wat aantoont dat de voorheen beperkende afweging tussen efficiëntie en betrouwbaarheid kan worden overwonnen. Door de interacties tussen atoom en licht nauwkeurig te controleren, bereikten ze in beide metrieken vrijwel uniforme prestaties. Dit vertegenwoordigt een belangrijke stap in de richting van het bouwen van praktische, betrouwbare kwantumgeheugens voor geavanceerde technologieën.
Implicaties voor kwantumtechnologieën
Deze doorbraak heeft brede implicaties voor de toekomst van quantum computing en communicatie. Betrouwbare kwantumgeheugens zijn essentieel voor het bouwen van schaalbare kwantumcomputers, het mogelijk maken van kwantumcommunicatienetwerken over lange afstanden en het ontwikkelen van gedistribueerde kwantumdetectiesystemen. De methode van het team biedt een duidelijk pad naar het realiseren van deze technologieën.
Het team van professor Zhang is van plan nieuwe, op natuurkunde gebaseerde principes verder te onderzoeken en hun geheugen te integreren in kwantumrepeaters voor fouttolerante kwantumcomputerarchitecturen en kwantumnetwerken. Dit duidt op een voortgaand traject van innovatie op dit gebied.
De ontwikkeling van een bijna perfect kwantumgeheugen vertegenwoordigt een cruciale mijlpaal in de vooruitgang van kwantumtechnologieën en baant de weg voor een toekomst waarin kwantumcomputers en communicatienetwerken werkelijkheid worden
