Physiker analysieren erstmals Rauschen in Quantenspeichern vom Lambda-Typ

In Zukunft werden Kommunikationsnetzwerke und Computer Informationen nutzen, die in Objekten gespeichert sind, die den mikroskopischen Gesetzen der Quantenmechanik unterliegen. Diese Fähigkeit kann möglicherweise die Kommunikation mit stark verbesserter Sicherheit und Computern mit beispielloser Leistung unterstützen. Eine wichtige Komponente dieser Technologien werden Speichergeräte sein, die in der Lage sind, Quanteninformationen zu speichern, die nach Belieben abgerufen werden können.

Virginia Lorenz, Physikprofessorin an der University of Illinois Urbana-Champaign, untersucht optische Quantenspeicher vom Lambda-Typ, eine vielversprechende Technologie, die auf der Wechselwirkung von Licht mit einer großen Gruppe von Atomen beruht. Gemeinsam mit dem Doktoranden Kai Shinbrough entwickelt sie ein Gerät, das auf heißem Metalldampf basiert.

Während die Forscher auf ein praktisches Gerät hinarbeiten, liefern sie auch einige der ersten theoretischen Analysen von Lambda-Geräten. Vor kurzem berichteten sie über die erste varianzbasierte Sensitivitätsanalyse, die die Auswirkungen von experimentellem Rauschen und Unvollkommenheiten in beschreibt Körperliche Überprüfung A.

„Vor dieser Arbeit musste man einfach davon ausgehen, dass sich alles im Quantenspeicher ideal verhält“, sagte Shinbrough. „Dies ist das erste Mal, dass Dinge wie Rauschen berücksichtigt wurden, und die Ergebnisse unserer Analysen fließen in das experimentelle Design ein.“

Quantenspeicher vom Lambda-Typ verwenden eine Ansammlung von Atomen, die mit zwei Arten von Licht interagieren: einzelne Photonen, die Quanteninformationen enthalten, die absorbiert werden, und leistungsstarke Laserimpulse, die steuern, wann die Informationen der Photonen absorbiert und abgegeben werden. Es gibt mehrere Speicher- und Abrufprotokolle, die auf unterschiedlichen Mechanismen beruhen, und die beste Wahl wird durch die Eigenschaften der Atome und die steuernden Laserpulse bestimmt.

Frühere Analysen dieser Protokolle gingen von idealen Bedingungen aus. Effekte wie Geräterauschen und kleine Fehler in experimentellen Einstellungen wurden nicht diskutiert. Shinbrough und Lorenz mussten diese Effekte verstehen, um einen robusten Quantenspeicher zu entwickeln, also füllten sie diese Lücke in der Literatur. Sie analysierten die Auswirkungen sowohl von zufälligem Geräterauschen als auch von langsamer Gesamtdrift in experimentellen Parametern auf die Speichereffizienz eines Lambda-Typ-Geräts, ein Maß dafür, wie oft das Gerät wie beabsichtigt funktioniert.

„Die von uns verwendeten Techniken sind in der klassischen Physik und Technik gut etabliert, aber wir wenden sie zum ersten Mal auf ein Quantensystem an“, sagte Shinbrough.

Neben der Betrachtung, wie sich Rauschen und Drift in experimentellen Parametern individuell auf die Geräteleistung auswirken, verwendeten die Forscher die Technik der Sobol-Sensitivitätsanalyse, um zu untersuchen, wie sich die gleichzeitige Variation aller Parameter auf die Speichereffizienz auswirkt. Dies ermöglichte es ihnen, die Parameter zu identifizieren, die die größten Auswirkungen auf jedes Protokoll hatten, und zu bestimmen, wie Variationen in verschiedenen Parametern kombiniert werden.

Shinbrough erklärte, dass das zentrale Ergebnis dieser Analyse darin besteht, zu verstehen, wie verschiedene experimentelle Parameter abgestimmt werden können, um Unvollkommenheiten in verschiedenen Einstellungen auszugleichen. Er gab das Beispiel der Variation in den Ankunftszeiten des Kontrollpulses und des einzelnen Photons. Jeder Speichermechanismus beruht auf einer sorgfältig abgestimmten Verzögerung der Ankunftszeiten. Wenn diese Verzögerung zu driften beginnt, kann der Steuerimpuls zeitlich verlängert werden, sodass die Überlappung mit dem einzelnen Photon ungefähr gleich ist und die Auswirkung auf die Speichereffizienz gemildert wird.

Die Ergebnisse dieser Analyse haben die experimentellen Bemühungen von Shinbrough und Lorenz beeinflusst. Die Forscher fanden heraus, dass bestimmte Effekte wie Schwankungen im heißen Metalldampf oft vernachlässigbar sind, während andere wie die Eigenschaften des Steuerimpulses einen erheblichen Einfluss auf die experimentelle Leistung haben können.

„Unsere Analysen haben es uns ermöglicht, ein besser informiertes Experiment zu entwickeln, das die Eigenschaften unseres Geräts voll ausnutzt“, sagte Lorenz. „Darüber hinaus haben wir ein Framework entwickelt, das es anderen ermöglicht, die gleichen Analysen für ihre Experimente durchzuführen.“