NBI-forskere udvikler ny kvantehukommelse

Eugen Polzik i laboratoriet. Illustration: NBI, KU

Kvantesystemer er notorisk følsomme. Det kan udnyttes til beregninger i kvantecomputere og til kvantekryptering, men det gør det også til en udfordring at lave sådanne systemer og ikke mindst lagre kvantebit i en kvantehukommelse.

For at undgå, at støj og utilsigtede forstyrrelser skal ødelægge kvanteegenskaberne knyttet til vigtige kvantebegreber som superposition og entanglement, må man holde kvantesystemerne ved meget lave temperaturer – ofte meget tæt på det absolutte nulpunkt.

Men nu har en forskergruppe ledet af professor Eugene Polzik fra Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet i en artikel i Nature Communications vist, at det er muligt at lagre en kvantebit i en celle med cæsiumatomer og frigive den op til næsten et millisekund senere med samme kvanteegenskaber – vel at mærke ved stuetemperatur.

Lys gemmes i en atomsky

At lagre lys som excitationer i atomskyer og frigive dem på kommando er en velkendt teknik i dag. Det var eksempelvis en sådan måde, Lene Vestergaard Hau for mere end 20 år siden brugte i sine eksperimenter med langsomt og helt standset lys.

Polzik-gruppen arbejder med optiske kvantebit baseret på enkelte fotoner. Og der en række yderligere komplikationer, som gør sig gældende i kvantesystemer, hvor man skal producere og lagre fotoner enkeltvis.

Ideen om at benytte en atomsky til på samme tid at producere og lagre enkeltfotoner blev dog udviklet omkring samme tid som eksperimenterne med langsomt lys og kendes i dag som DLCZ, der refererer til forbogstaverne i de fire forskere efternavne, som beskrev teknikken i 2001 - Duan, Lukin, Cirac og Zoller.

Kort fortalt går den ud på, at en celle med atomer, f.eks. cæsiumatomer påtrykkes et magnetisk felt og belyses med en laser (såkaldt pumping). Magnetfeltet er med til at spalte spektrallinjerne for cæsiumatomer via Zeemann-effekten.

Denne celle med cæsiumatomer kan fungere som en kvantehukommelse. Illustration: Eugene Polzik, NBI

Når man sender en anden kortvarig laserpuls – i det aktuelle tilfælde af ca. 40 mikrosekunder varighed – ind i cellen med cæsiumatomer, vil der ske en excitation af atomerne, og samtidig udsendes en enkelt såkaldt budbringer-foton (heralding foton).

Hvis man efter et stykke tid sender en ny kortvarig laserpuls ind i cellen, vil det frigive en ny enkelt foton fra atomskyen.

For at systemet skal virke optimalt, skal man have nøje styr på bølgelængderne af pumpelaseren og laseren, der udsender de kortvarige skrive/læse-pulser.

Hvis man kan vise, at budbringer-fotonen og den genudsendte foton er kvantemekanisk korrelerede med hinanden på en måde, som ikke kan forklares med klassisk fysik, er de entanglede med hinanden og kan derfor bruges i kvantesystemer som kvantecomputere.

Det vil svare til, at man har et hukommelseslager for kvantebit.

Problemer opstår, når atomerne bevæger sig

DLCZ-teknikken ved stuetemperatur har hidtil været begrænset til, at den genudsendte foton kun kan udsendes i op til nogle få mikrosekunder efter budbringer-fotonen.

Det skyldes ikke mindst, at atomerne i cellen ved stuetemperatur bevæger sig rundt i forhold til hinanden og dermed også ind og ud af laser-beamet, der er skrivesignalet. På den måde bliver budbringer-fotonen bestemt af atomernes position på et givet tidspunkt. Hvis læsesignalet kommer lang tid efter, vil atomerne have flyttet sig, og den genudsendte foton vil ikke have nogen kvantemæssig relation til budbringer-fotonen.

Hertil kommer, at ved stuetemperatur kan atomerne bevæge sig så meget, at de støder ind i cellens vægge, hvorved kvanteegenskaberne, som beskrevet i indledningen af artiklen, forstyrres og ødelægges.

Den ene løsning er at køle atomerne ned f.eks. med flydende helium ned til nogle på kelvin. Det er dog en besværlig teknik, hvis den skal bruges i stor udstrækning i eksempelvis i et fremtidigt kvanteinternet.

Sådan kan problemerne tackles

Det nye system øger lagringstiden ved stuetemperatur på følgende vis:

For det første benyttes en teknik kaldet ‘motional averaging’, som forsinker udsendelsen af budbringer-fotonen i forhold til den tid, som det tager atomerne at bevæge sig ind og ud af laserstrålen. På den måde kommer alle atomer til at bidrage til budbringer-fotonen, hvis egenskaber på den måde er lagret i alle atomer.

Hertil kommer, at cellen er forsynet med bløde vægge belagt med paraffin, som gør atomernes sammenstød med væggene mere bløde og dermed mindre ødelæggende for kvanteegenskaberne.

Endelig er indført nogle særlige spektral- og polarisationsfiltre i forbindelse med detektion af henholdsvis budbringer-foton og den genudsendte foton.

Forsøgsopstilling med henholdsvis skrive- og læsetilstand vist øverst. Illustration: E. Polzik/Nature Communications

Hermed er det lykkedes for forskergruppen på Niels Bohr Institutet at opnå en ikke-klassisk korrelation mellem de to fotoner, når deres tidsmæssige afstand er op til 680 mikrosekunder. Vel at mærke ved drift ved stuetemperatur.

Det er en markant og bemærkelsesværdig forbedring på en faktor 100 eller mere i forhold til tidligere systemer.

Næste skridt

Der er dog stadig en del, som skal afklares, før denne teknik kan bruges i praksis, forklarer Eugene Polzik:

»Vi kan foreløbig kun producere kvantebit i et langsomt tempo omkring 1 qubit/s med vores teknik. Systemer ved lave temperaturer kan producere flere millioner i sekundet. Men vi mener, at der er vigtige fordele ved vores teknik, og at vi kan finde en løsning på den udfordring med tiden.«