À l’avenir, les réseaux de communication et les ordinateurs utiliseront les informations stockées dans des objets régis par les lois microscopiques de la mécanique quantique. Cette capacité peut potentiellement soutenir la communication avec une sécurité considérablement améliorée et des ordinateurs avec une puissance sans précédent. Un élément essentiel de ces technologies sera les dispositifs de mémoire capables de stocker des informations quantiques à récupérer à volonté.
Virginia Lorenz, professeur de physique à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, étudie les dispositifs de mémoire quantique optique de type Lambda, une technologie prometteuse qui repose sur l’interaction de la lumière avec un grand groupe d’atomes. Elle développe un appareil basé sur la vapeur métallique chaude avec l’étudiant diplômé Kai Shinbrough.
Alors que les chercheurs travaillent sur un dispositif pratique, ils fournissent également certaines des premières analyses théoriques des dispositifs de type Lambda. Plus récemment, ils ont rapporté la première analyse de sensibilité basée sur la variance décrivant les effets du bruit expérimental et des imperfections dans Examen physique A.
« Avant cet article, il suffisait de supposer que tout dans la mémoire quantique se comporte idéalement », a déclaré Shinbrough. « C’est la première fois que des choses comme le bruit sont prises en compte, et les résultats de nos analyses informent la conception expérimentale. »
La mémoire quantique de type lambda utilise une collection d’atomes qui interagissent avec deux types de lumière : des photons uniques contenant des informations quantiques qui sont absorbées et de puissantes impulsions laser contrôlant le moment où les informations des photons sont absorbées et libérées. Il existe plusieurs protocoles de stockage et de récupération qui reposent sur différents mécanismes, et le meilleur choix est déterminé par les propriétés des atomes et les impulsions laser de contrôle.
Les analyses passées de ces protocoles supposaient des conditions idéales. Les effets tels que le bruit de l’appareil et les petites erreurs dans les paramètres expérimentaux n’ont pas été discutés. Shinbrough et Lorenz avaient besoin de comprendre ces effets pour développer un dispositif de mémoire quantique robuste, ils ont donc comblé cette lacune dans la littérature. Ils ont analysé l’impact du bruit aléatoire de l’appareil et de la dérive globale lente des paramètres expérimentaux sur l’efficacité de la mémoire d’un appareil de type Lambda, une mesure de la fréquence à laquelle l’appareil fonctionne comme prévu.
« Les techniques que nous avons utilisées sont bien établies en physique et en ingénierie classiques, mais nous les appliquons pour la première fois à un système quantique », a déclaré Shinbrough.
En plus d’examiner l’impact individuel du bruit et de la dérive des paramètres expérimentaux sur les performances de l’appareil, les chercheurs ont utilisé la technique d’analyse de sensibilité de Sobol pour étudier l’impact de la variation simultanée de tous les paramètres sur l’efficacité de la mémoire. Cela leur a permis d’identifier les paramètres qui avaient l’impact le plus significatif pour chaque protocole et de déterminer comment les variations de différents paramètres se combinent.
Shinbrough a expliqué que le résultat central de cette analyse est de comprendre comment différents paramètres expérimentaux peuvent être réglés pour compenser les imperfections dans différents contextes. Il a donné l’exemple de la variation des temps d’arrivée de l’impulsion de commande et du photon unique. Chaque mécanisme de mémoire repose sur un retard soigneusement réglé dans les temps d’arrivée. Si ce retard commence à dériver, l’impulsion de commande peut être amenée à durer plus longtemps afin que le chevauchement avec le photon unique soit à peu près le même et que l’impact sur l’efficacité de la mémoire soit atténué.
Les résultats de cette analyse ont éclairé les efforts expérimentaux de Shinbrough et Lorenz. Les chercheurs ont découvert que certains effets comme les variations de la vapeur de métal chaud sont souvent négligeables tandis que d’autres comme les caractéristiques de l’impulsion de contrôle peuvent avoir un impact significatif sur les performances expérimentales.
« Nos analyses nous ont permis de développer une expérience mieux informée tirant pleinement parti des propriétés de notre appareil », a déclaré Lorenz. « De plus, nous avons développé un cadre qui permet à d’autres d’effectuer les mêmes analyses pour leurs expériences. »
Plus d’information:
Kai Shinbrough et al, Analyse de sensibilité basée sur la variance de la mémoire quantique de type Λ, Examen physique A (2023). DOI : 10.1103/PhysRevA.107.033703