Physiker analysierten zunächst das Rauschen in einem Quantenspeicher vom Lambda-Typ

In Zukunft werden Kommunikationsnetzwerke und Computer Informationen nutzen, die in Objekten gespeichert sind, die den mikroskopischen Gesetzen der Quantenmechanik unterliegen. Diese Funktion kann Konnektivität mit stark verbesserter Sicherheit und Computer 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 Ansammlung von Atomen basiert. Gemeinsam mit dem Doktoranden Kai Shinbra entwickelt sie ein Gerät, das auf heißem Metalldampf basiert.

Während die Forscher auf ein praktisches Gerät hinarbeiten, präsentieren sie auch einige der ersten theoretischen Analysen von Lambda-Geräten. Kürzlich berichteten sie über die erste varianzbasierte Sensitivitätsanalyse, die die Auswirkungen von Rauschen und experimentellen Unvollkommenheiten in beschreibt körperliche Untersuchung a.

„Vor diesem Artikel musste man einfach davon ausgehen, dass sich alles im Quantenspeicher perfekt verhält“, sagte Shenbro. „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 Anordnung von Atomen, die mit zwei Arten von Licht interagieren: einzelne Photonen, die absorbierte Quanteninformationen enthalten, und leistungsstarke Laserimpulse, die steuern, wann die Informationen der Photonen absorbiert und abgegeben werden. Es gibt viele Speicher- und Abrufprotokolle, die auf unterschiedlichen Mechanismen beruhen, und die beste Option wird durch die Eigenschaften der Atome und die Steuerung der Laserpulse bestimmt.

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

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

Die Forscher untersuchten nicht nur, wie Rauschen und Drift in experimentellen Parametern die Geräteleistung individuell beeinflussen, sondern nutzten auch die Empfindlichkeitsanalysetechnik von Sobol, um zu untersuchen, wie sich die gleichzeitige Variation aller Parameter auf die Speichereffizienz auswirkt. Auf diese Weise konnten sie bestimmen, welche Parameter den größten Einfluss für jedes Protokoll hatten, und bestimmen, wie Unterschiede in den verschiedenen Parametern kombiniert wurden.

Ein zentrales Ergebnis dieser Analyse, erklärte Shinbrough, ist ein Verständnis dafür, wie verschiedene experimentelle Parameter angepasst werden können, um Fehler in verschiedenen Einstellungen zu kompensieren. Er gab ein Beispiel für die Variation der Ankunftszeiten des Kontrollimpulses und des einzelnen Photons. Jeder Speichermechanismus beruht auf einer sorgfältig abgestimmten Verzögerung der Zugriffszeiten. Wenn diese Verzögerung zu driften beginnt, kann der Steuerimpuls zeitlich verlängert werden, so dass die Interferenz 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 einige Effekte wie Schwankungen im heißen Metalldampf oft vernachlässigbar sind, während andere wie die Eigenschaften eines kontrollierten Pulses einen erheblichen Einfluss auf die experimentelle Leistung haben können.

„Unsere Analysen haben es uns ermöglicht, eine fundiertere Erfahrung zu entwickeln und gleichzeitig die Eigenschaften unserer Geräte voll auszuschöpfen“, sagte Lorenz. „Darüber hinaus haben wir ein Framework entwickelt, das es anderen ermöglicht, die gleichen Analysen ihrer Experimente durchzuführen.“