Une nouvelle approche pour réaliser des mémoires quantiques hautement efficaces et de haute dimension

Schéma de configuration expérimentale. Le signal qudit codé en mode POV via SLM 1 et la lentille L1 est mappé dans l'ensemble atomique pour un stockage ultérieur. Ici, les champs de signal et de contrôle sont tous deux polarisés circulairement (σ⁺ ), et le champ de contrôle est élargi pour avoir une taille de 4 mm afin de couvrir complètement le champ de signal au centre du support. Crédit :Dong et al, *Lettres d'examen physique* (2023). DOI :10.1103/PhysRevLett.131.240801

De nombreux physiciens et ingénieurs ont tenté de développer des technologies quantiques hautement efficaces capables de remplir des fonctions similaires à celles de l’électronique conventionnelle en exploitant les effets de la mécanique quantique. Cela inclut les mémoires quantiques de haute dimension, les dispositifs de stockage dotés d'une plus grande capacité d'information et d'une plus grande résilience au bruit que les mémoires quantiques bidimensionnelles.

Jusqu’à présent, le développement de ces mémoires de grande dimension s’est avéré difficile et la plupart des tentatives n’ont pas donné lieu à une efficacité satisfaisante. Dans un article publié dans Physical Review Letters , une équipe de recherche de l'Université des sciences et technologies de Chine et de l'Université normale de Hefei a récemment introduit une approche pour réaliser une mémoire à 25 dimensions très efficace basée sur des atomes froids.

"Notre groupe utilise le mode de moment cinétique orbital dans le canal spatial pour étudier le stockage quantique de haute dimension et a accumulé une richesse d'expérience et de technologie en matière de recherche", a déclaré Dong Sheng Ding, co-auteur de l'article, à Phys.org. "Réaliser un stockage quantique de grande dimension et à haute efficacité a toujours été notre objectif."

Dans leurs études précédentes, Ding et ses collègues ont découvert que les propriétés singulières d’un motif spatial connu sous le nom de champ optique vortex parfait pourraient être particulièrement avantageuses pour le développement de mémoires quantiques de haute dimension. Cela les a incités à exploiter l'interaction indépendante du mode entre la lumière et la matière associée à ce modèle pour réaliser un stockage quantique efficace et de grande dimension.

"Le principe de base de notre dispositif de stockage repose sur le phénomène de transparence induit par l'électromagnétisme, qui est l'interaction entre la lumière et la matière", a expliqué Ding. "En termes simples, les photons de signal sont ralentis jusqu'à une vitesse nulle dans le milieu et stockés pendant un certain temps. Ensuite, les informations stockées sur les photons de signal peuvent être récupérées par la lumière de contrôle."

Le système quantique créé par les chercheurs est composé de photons de signal, d’un faisceau lumineux de contrôle, d’un ensemble atomique froid de Rubidium qui sert de support de stockage et d’un modulateur spatial de lumière qui code et décode les informations quantiques de haute dimension. La mémoire de l'équipe code des informations de haute dimension sur les photons de signal, réalisant finalement le stockage d'informations de haute dimension dans le support.

"Avant nos travaux, une mémoire quantique efficace était limitée aux systèmes quantiques de stockage bidimensionnels", a déclaré Ding. "L'avantage de notre travail réside dans l'extension de la dimension de stockage de deux à 25, permettant la préparation d'une mémoire de haute dimension qui fonctionne dans l'espace de Hilbert de haute dimension. Non seulement cela augmente considérablement la capacité de la mémoire et augmente la capacité de transmission. de la communication quantique, mais a également des implications potentielles pour l'informatique quantique tolérante aux pannes."

Lors des premiers tests, les chercheurs ont démontré que leur mémoire quantique peut stocker des états de grande dimension à 25 dimensions. Cependant, leur système peut également stocker des états arbitraires de grande dimension allant de 1 à 25 dimensions (c'est-à-dire, y compris des états à 3 dimensions, à 5 dimensions, à 10 dimensions, etc.).

"Nos résultats démontrent la compatibilité de notre mémoire avec des états quantiques programmables de haute dimension dans la plage de 1 à 25 dimensions", a déclaré Ding. "De plus, nous avons théoriquement analysé l'évolutivité de la dimensionnalité de notre mémoire. En optimisant davantage la conception du chemin optique, nous pouvons obtenir un stockage efficace jusqu'à 100 états de dimension supérieure, voire plus, démontrant les avantages uniques de notre système de stockage de grande dimension. ."

Les travaux récents de Ding et de ses collègues ont introduit une nouvelle méthode très prometteuse pour parvenir à un stockage quantique efficace de haute dimension. À l'avenir, cette approche pourrait être utilisée pour créer diverses mémoires quantiques de haute dimension, qui pourraient à leur tour contribuer à la réalisation d'autres technologies quantiques, telles que les répéteurs quantiques de haute dimension.

"Notre approche permet notamment de réaliser une mémoire quantique pratique de haute dimension", a ajouté Ding. "À l'avenir, nous établirons des répéteurs quantiques de haute dimension utilisant des mémoires quantiques de haute dimension, permettant une communication quantique de haute dimension entre deux ou plusieurs nœuds quantiques distants."

Plus d'informations : Ming-Xin Dong et al, Stockage hautement efficace de Qudit photonique à 25 dimensions dans une mémoire quantique basée sur des atomes froids, Physical Review Letters (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.131.240801

Informations sur le journal : Lettres d'examen physique