Muchos físicos e ingenieros han estado intentando desarrollar tecnologías cuánticas altamente eficientes que puedan realizar funciones similares a las de la electrónica convencional aprovechando los efectos de la mecánica cuántica. Esto incluye memorias cuánticas de alta dimensión, dispositivos de almacenamiento con mayor capacidad de información y resistencia al ruido que las memorias cuánticas bidimensionales.
Hasta ahora, desarrollar estas memorias de alta dimensión ha resultado un desafío y la mayoría de los intentos no han arrojado eficiencias satisfactorias. En un artículo publicado en Physical Review Letters , un equipo de investigación de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China y la Universidad Normal de Hefei presentó recientemente un enfoque para realizar una memoria de 25 dimensiones altamente eficiente basada en átomos fríos.
"Nuestro grupo ha estado utilizando el modo de momento angular orbital en el canal espacial para estudiar el almacenamiento cuántico de alta dimensión y ha acumulado una gran experiencia en investigación y tecnología", dijo a Phys.org Dong Sheng Ding, coautor del artículo. "Nuestro objetivo siempre ha sido lograr un almacenamiento cuántico de alta dimensión y alta eficiencia".
En sus estudios anteriores, Ding y sus colegas descubrieron que las propiedades singulares de un patrón espacial conocido como campo óptico de vórtice perfecto podrían ser particularmente ventajosas para el desarrollo de memorias cuánticas de alta dimensión. Esto los inspiró a aprovechar la interacción independiente del modo entre la luz y la materia asociada con este patrón para lograr un almacenamiento cuántico eficiente y de alta dimensión.
"El principio básico de nuestro dispositivo de almacenamiento se basa en el fenómeno de transparencia inducido electromagnéticamente, que es la interacción entre la luz y la materia", explicó Ding. "En términos simples, los fotones de señal se reducen a velocidad cero en el medio y se almacenan durante un período de tiempo. Luego, la luz de control puede recuperar la información almacenada de los fotones de señal".
El sistema cuántico creado por los investigadores se compone de fotones de señal, un haz de luz de control, un conjunto atómico frío de rubidio que sirve como medio de almacenamiento y un modulador de luz espacial que codifica y decodifica información cuántica de alta dimensión. La memoria del equipo codifica información de alta dimensión en los fotones de señal y, en última instancia, logra el almacenamiento de información de alta dimensión en el medio.
"Antes de nuestro trabajo, la memoria cuántica eficiente se limitaba a sistemas cuánticos de almacenamiento bidimensionales", dijo Ding. "La ventaja de nuestro trabajo radica en ampliar la dimensión de almacenamiento de dos a 25, lo que permite la preparación de memoria de alta dimensión que opera en el espacio de Hilbert de alta dimensión. Esto no sólo expande enormemente la capacidad de la memoria sino que también aumenta la capacidad transmisible de la comunicación cuántica, pero también tiene implicaciones potenciales para la computación cuántica tolerante a fallas."
En las pruebas iniciales, los investigadores demostraron que su memoria cuántica puede almacenar estados de alta dimensión de 25 dimensiones. Sin embargo, cabe destacar que su sistema también puede almacenar estados arbitrarios de alta dimensión que van de 1 a 25 dimensiones (es decir, incluidos estados de 3 dimensiones, 5 dimensiones, 10 dimensiones, etc.).
"Nuestros resultados demuestran la compatibilidad de nuestra memoria con estados cuánticos programables de alta dimensión en el rango de 1 a 25 dimensiones", dijo Ding. "Además, hemos analizado teóricamente la escalabilidad de la dimensionalidad de nuestra memoria. Al optimizar aún más el diseño de la ruta óptica, podemos lograr un almacenamiento eficiente de hasta 100 o incluso estados de dimensiones superiores, lo que muestra las ventajas únicas de nuestro esquema de almacenamiento de alta dimensión. ."
El reciente trabajo de Ding y sus colegas introdujo un nuevo método muy prometedor para lograr un almacenamiento cuántico eficiente de alta dimensión. En el futuro, este enfoque podría utilizarse para crear varias memorias cuánticas de alta dimensión, que a su vez podrían ayudar a realizar otras tecnologías cuánticas, como los repetidores cuánticos de alta dimensión.
"En particular, a través de nuestro enfoque, es posible realizar una memoria cuántica práctica de alta dimensión", añadió Ding. "En el futuro, estableceremos repetidores cuánticos de alta dimensión utilizando memorias cuánticas de alta dimensión, lo que permitirá la comunicación cuántica de alta dimensión entre dos o más nodos cuánticos remotos".
Más información: Ming-Xin Dong et al, Almacenamiento altamente eficiente de Qudit fotónico de 25 dimensiones en una memoria cuántica basada en átomos fríos, Cartas de revisión física (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.240801
Información de la revista: Cartas de revisión física
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