Muitos físicos e engenheiros têm tentado desenvolver tecnologias quânticas altamente eficientes que possam desempenhar funções semelhantes às da eletrônica convencional, aproveitando os efeitos da mecânica quântica. Isto inclui memórias quânticas de alta dimensão, dispositivos de armazenamento com maior capacidade de informação e resiliência ao ruído do que as memórias quânticas bidimensionais.



Até agora, o desenvolvimento destas memórias de alta dimensão revelou-se um desafio, e a maioria das tentativas não produziu eficiências satisfatórias. Em um artigo publicado em Physical Review Letters , uma equipe de pesquisa da Universidade de Ciência e Tecnologia da China e da Universidade Normal de Hefei introduziu recentemente uma abordagem para realizar uma memória de 25 dimensões altamente eficiente baseada em átomos frios.

“Nosso grupo tem usado o modo de momento angular orbital no canal espacial para estudar o armazenamento quântico de alta dimensão e acumulou uma riqueza de experiência em pesquisa e tecnologia”, disse Dong Sheng Ding, co-autor do artigo, ao Phys.org. "Alcançar armazenamento quântico de alta dimensão e alta eficiência sempre foi nosso objetivo."

Em seus estudos anteriores, Ding e seus colegas descobriram que as propriedades singulares de um padrão espacial conhecido como campo óptico de vórtice perfeito poderiam ser particularmente vantajosas para o desenvolvimento de memórias quânticas de alta dimensão. Isso os inspirou a aproveitar a interação independente de modo entre luz e matéria associada a esse padrão para realizar armazenamento quântico eficiente e de alta dimensão.

“O princípio básico do nosso dispositivo de armazenamento é baseado no fenômeno da transparência eletromagnética induzida, que é a interação entre a luz e a matéria”, explicou Ding. "Em termos simples, os fótons de sinal são desacelerados até a velocidade zero no meio e armazenados por um período de tempo. Então, as informações armazenadas dos fótons de sinal podem ser recuperadas pela luz de controle."

O sistema quântico criado pelos pesquisadores é composto por fótons de sinal, um feixe de luz de controle, um conjunto atômico frio de Rubídio que serve como meio de armazenamento e um modulador de luz espacial que codifica e decodifica informações quânticas de alta dimensão. A memória da equipe codifica informações de alta dimensão nos fótons do sinal, realizando, em última análise, o armazenamento de informações de alta dimensão no meio.

“Antes do nosso trabalho, a memória quântica eficiente estava limitada a sistemas quânticos de armazenamento bidimensionais”, disse Ding. “A vantagem do nosso trabalho reside em estender a dimensão de armazenamento de dois para 25, permitindo a preparação de memória de alta dimensão que opera no espaço de Hilbert de alta dimensão. da comunicação quântica, mas também tem implicações potenciais para a computação quântica tolerante a falhas."

Em testes iniciais, os pesquisadores demonstraram que sua memória quântica pode armazenar estados de alta dimensão de 25 dimensões. Notavelmente, no entanto, seu sistema também pode armazenar estados arbitrários de alta dimensão variando de 1 a 25 dimensões (ou seja, incluindo estados tridimensionais, 5 dimensionais, 10 dimensionais e assim por diante).

“Nossos resultados demonstram a compatibilidade de nossa memória com estados quânticos programáveis ​​de alta dimensão na faixa de 1 a 25 dimensões”, disse Ding. "Além disso, analisamos teoricamente a escalabilidade da dimensionalidade da nossa memória. Ao otimizar ainda mais o design do caminho óptico, podemos obter armazenamento eficiente de até 100 estados ou até mesmo de dimensões superiores, mostrando as vantagens exclusivas do nosso esquema de armazenamento de alta dimensão ."

O trabalho recente de Ding e seus colegas introduziu um novo método altamente promissor para obter armazenamento quântico eficiente e de alta dimensão. No futuro, esta abordagem poderia ser usada para criar várias memórias quânticas de alta dimensão, o que poderia, por sua vez, ajudar a realizar outras tecnologias quânticas, como repetidores quânticos de alta dimensão.

“Notavelmente, através da nossa abordagem, é possível realizar uma memória quântica prática de alta dimensão”, acrescentou Ding. “No futuro, estabeleceremos repetidores quânticos de alta dimensão usando memórias quânticas de alta dimensão, permitindo a comunicação quântica de alta dimensão entre dois ou mais nós quânticos remotos.”

Mais informações: 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
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