خلاصه خبر:
محققان یک حافظه کوانتومی 25 بعدی بسیار کارآمد بر اساس اتم های سرد ساخته اند. این حافظه بر اساس اصل شفافیت القایی الکترومغناطیسی کار می کند، جایی که فوتون های سیگنال کُند می شوند و در یک مجموعه اتمی سرد روبیدیوم ذخیره می شوند. آنها با موفقیت اطلاعات با ابعاد بالا را روی فوتون های سیگنال رمزگذاری و ذخیره کردند و بُعد ذخیره سازی را از 2 به 25 افزایش دادند. این پیشرفت به طور قابل توجهی ظرفیت حافظه کوانتومی را افزایش می دهد و امکان ذخیره حالت های فراتر از کیوبیت های سنتی را فراهم می کند. این حافظه بازده ذخیره سازی یکنواخت و اختلال تداخلی کم را نشان می دهد، که راه را برای پیاده سازی شبکه های کوانتومی با ابعاد بالا و پردازش اطلاعات کوانتومی هموار می کند.
توضیحات تکمیلی:
این مقاله به پیشرفت اخیر در فناوری کوانتومی، به ویژه ایجاد یک حافظه کوانتومی 25 بعدی بسیار کارآمد بر اساس اتم‌های سرد می‌پردازد. تیم تحقیقاتی از دانشگاه علم و فناوری چین و دانشگاه Hefei Normal، از حالت تکانه زاویه‌ای مداری در کانال فضایی برای مطالعه ذخیره‌سازی کوانتومی با ابعاد بالا استفاده کردند. آنها دریافتند که خواص منحصر به فرد یک الگوی فضایی به نام "میدان نوری گرداب کامل" (perfect vortex optical field) می تواند برای ایجاد حافظه های کوانتومی با ابعاد بالا مفید باشد. با استفاده از برهمکنش مستقل از حالت بین نور و ماده مرتبط با این الگو، آنها به ذخیره سازی کوانتومی با ابعاد بالا و کارآمد دست یافتند.
دستگاه ذخیره‌سازی مبتنی بر پدیده شفافیت القای الکترومغناطیسی است که در آن فوتون‌های سیگنال به سرعت صفر در محیط کاهش می‌یابند و برای مدتی ذخیره می‌شوند. اطلاعات ذخیره شده را می توان بعداً با استفاده از نور کنترلی بازیابی کرد. سیستم کوانتومی متشکل از فوتون‌های سیگنال، یک پرتو نور کنترلی، یک مجموعه اتم سرد روبیدیوم به عنوان واسطه ذخیره‌سازی، و یک مدولاتور نور فضایی برای رمزگذاری و رمزگشایی اطلاعات کوانتومی با ابعاد بالا است. محققان توانستند اطلاعات با ابعاد بالا را روی فوتون‌های سیگنال رمزگذاری کنند و امکان ذخیره‌سازی حالت‌های با ابعاد بالا در محیط را فراهم آورند.
پیش از این، حافظه کوانتومی کارآمد به سیستم‌های کوانتومی ذخیره‌سازی دو بعدی محدود می‌شد. مزیت این تحقیق در گسترش بعد ذخیره سازی از 2 به 25، افزایش قابل توجه ظرفیت حافظه و افزایش ظرفیت قابل انتقال ارتباطات کوانتومی است. این توسعه پیامدهای بالقوه ای برای محاسبات کوانتومی مقاوم به خطا دارد. محققان نشان دادند که حافظه کوانتومی آنها می‌تواند حالت‌های 25 بعدی با ابعاد بالا را ذخیره کند و همچنین می‌تواند حالت‌های بابعد بالا دلخواه را در محدوده 1 تا 25 بعد ذخیره کند.
حافظه کوانتومی تجربی بازده ذخیره سازی نزدیک به 60٪ و fidelity به میزان 0.6±84.2٪ را به دست آورد. این رویکرد از تعامل مستقل از حالت فضایی بین اتم‌ها و فوتون‌های کدگذاری شده در حالت‌های گردابی متغیر با اندازه عرضی استفاده می‌کند. این حافظه، کارایی ذخیره سازی ثابت و حداقل تداخل را برای 25 حالت فضایی منفرد فوتون نشان داد، که امکان ذخیره حالت های برنامه ریزی شده از 25 حالت ویژه را در فضاهای هیلبرت با ابعاد بالا فراهم می کرد. این حالت ها دارای ماهیت کوانتومی با ابعاد بالاتر هستند که فراتر از کیوبیت های باینری سنتی گسترش می یابند. این پیشرفت نویدبخش اجرای شبکه‌های کوانتومی با ابعاد بالا و پردازش اطلاعات کوانتومی است.
در مجموع، این تیم تحقیقاتی با موفقیت یک حافظه کوانتومی 25 بعدی کارآمد بر اساس اتم های سرد ایجاد کرد که کاربردهای بالقوه ای در ارتباطات کوانتومی با ابعاد بالا و پردازش اطلاعات کوانتومی دارد.
منبع
Ming-Xin Dong et al, Highly Efficient Storage of 25-Dimensional Photonic Qudit in a Cold-Atom-Based Quantum Memory, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.240801
