No que diz respeito ao desenvolvimento de memórias quânticas para a realização de redes quânticas globais, cientistas da Divisão de Dinâmica Quântica liderada pelo professor Gerhard Rempe no Instituto Max Planck de Óptica Quântica (MPQ) agora alcançaram um grande avanço:eles demonstraram o armazenamento de longa duração de um qubit fotônico em um único átomo preso em um ressonador óptico. O tempo de coerência do bit quântico armazenado ultrapassa 100 milissegundos e, portanto, corresponde ao requisito para a criação de uma rede quântica global na qual os qubits são teletransportados diretamente entre os nós finais. "Os tempos de coerência que alcançamos representam uma melhoria de duas ordens de magnitude em comparação com o estado da arte atual, "diz o professor Rempe. O estudo foi publicado em Nature Photonics hoje.

A luz é um portador ideal para informações quânticas codificadas em fótons individuais, mas a transferência por longas distâncias é ineficiente e não confiável devido a perdas. O teletransporte direto entre os nós finais de uma rede pode ser utilizado para evitar a perda de preciosos bits quânticos. Primeiro, o emaranhamento remoto deve ser criado entre os nós; então, uma medição adequada no lado do remetente desencadeia a "ação fantasmagórica à distância, "ou seja, o transporte instantâneo do qubit para o nó do receptor. No entanto, o bit quântico pode ser girado quando atinge o receptor e, portanto, deve ser revertido. Para este fim, a informação necessária tem de ser comunicada classicamente do emissor para o receptor. Isso leva um certo tempo, durante o qual o qubit deve ser preservado no receptor. Considerando dois nós de rede nos lugares mais distantes da Terra, isso corresponde a um intervalo de tempo de 66 milissegundos.

Em 2011, O grupo do professor Rempe demonstrou uma técnica bem-sucedida para armazenar um bit quântico fotônico em um único átomo. O átomo é colocado no centro de uma cavidade óptica que é formada por dois espelhos de alta finesse e se mantém no lugar por ondas de luz estacionárias. Um único fóton que carrega o bit quântico em uma superposição coerente de dois estados de polarização começa a interagir fortemente com o único átomo, uma vez que é enviado para o ressonador. Em última análise, o fóton é absorvido pelo átomo e o bit quântico é transferido para uma superposição coerente de dois estados atômicos. O desafio é manter a superposição atômica o maior tempo possível. Em experiências anteriores, o tempo de armazenamento foi limitado a algumas centenas de microssegundos.

"O principal problema para armazenar bits quânticos é o fenômeno de defasagem, "explica Stefan Langenfeld, um candidato a doutorado no experimento. "A característica de um bit quântico é a fase relativa das funções de onda dos estados atômicos que são sobrepostos de forma coerente. Infelizmente, em experimentos do mundo real, esta relação de fase é perdida ao longo do tempo principalmente devido à interação com campos magnéticos flutuantes do ambiente. "

Em seu experimento atual, os cientistas tomam novas medidas para neutralizar o impacto dessas flutuações. Uma vez que a informação é transferida do fóton para o átomo, a população de um estado atômico é transferida coerentemente para outro estado. Isso é feito usando um par de feixes de laser para induzir uma transição Raman. Nesta nova configuração, o qubit armazenado é 500 vezes menos sensível às flutuações do campo magnético.

Antes da recuperação do bit quântico fotônico armazenado, a transição Raman é revertida. Por um tempo de armazenamento de 10 milissegundos, a sobreposição do fóton armazenado com o fóton recuperado é de cerca de 90%. Isso significa, que a mera transferência do qubit atômico para uma configuração de estado menos sensível estende o tempo de coerência por um fator de 10. Outro fator de 10 foi obtido adicionando um chamado "eco de spin" à sequência experimental. Aqui, a população dos dois estados atômicos usados ​​para armazenamento é trocada no meio do tempo de armazenamento. "A nova técnica nos permite preservar a natureza quântica do bit armazenado por mais de 100 milissegundos, "diz Matthias Körber, um candidato a doutorado no experimento. "Embora uma rede quântica global imaginada que permite o transporte seguro e confiável de informações quânticas ainda exija muita pesquisa, o armazenamento de longa duração de bits quânticos é uma das tecnologias-chave e acreditamos que as melhorias atuais nos trarão um passo significativo mais perto de sua realização. "