فیزیکدان ها در انگستان، حافظه کوانتومی برای فوتون ها ساخته اند که در دمای اتاق کار می کند. این موفقیت بزرگ می تواند به پژوهشگران برای توسعه ابزارهای تکرارگر کوانتومی کمک کند تا اطلاعات کوانتومی را در فواصل طولانی ارسال کنند. بیت های کوانتومی یا «کیوبیت» های اطلاعات را می توان با فوتون ها انتقال داد و از کاربردهای فراوان آن ها مانند «رمزنگاری» سود جست. این طرح ها بر این واقعیت استوارند که فوتون ها، می توانند فاصله های نسبتا طولانی را بدون بر هم کنش با محیط طی کنند؛ مثلا کیوبیت های فوتونی قادرند که با دیگر کیوبیت ها، در حالت در هم تنیده باقی بمانند – حالتی که برای بسیاری از ایده های اطلاعات کوانتومی ضروری است.

هر چند حالت کوانتومی یک فوتون، به دلیل پراکندگی ناشی از حرکت در طی صدها کیلومتر در ماده ای مانند هوا یا فیبر نوری، به تدریج تغییر خواهد کرد(یا از بین خواهد رفت). در نتیجه، پژوهشگران در توسعه تکرارگرهای کوانتومی مشتاقند که سیگنال های که افت کیفیت دارند را ذخیره کنند و به جای آنها سیگنال های تازه نفس را دوباره گسیل کنند. یان والمسلی از دانشگاه آکسفورد می گوید: «از این طریق شما می توانید در هم تنیدگی را در فواصل بسیار طولانی ایجاد کنید.»

تعمیر دشوار

حافظه کوانتومی که فوتون ها را ذخیره و سپس بازگسیل کند، جزء اساسی یک تکرارگر کوانتومی است. دسته ای از حافظه های کوانتومی که تاکنون ساخته شده اند، در دماهای بسیار سرد یا شرایط خلا نگهداری می شدند. همچنین، آن ها تمایل دارند که تنها در محدوده ای باریکی از طول موج های نور کار کنند و کیوبیت ها را در بازه بسیار کوتاهی از زمان ذخیره نمایند. والمسلی و همکارانش، می گویند که امکان ندارد بتوان چنین سامانه های ظریفی را در ارتباطات کوانتومی بین قاره ای استفاده کنیم.چنین پیوندهایی باید از میان اقیانوس ها و دیگر مناطق دوردست بگذرند، در چنین مکان هایی نمی توان افراد را برای تعمیر سامانه های خلا و یا عیوب ناشی از تغییرات دما فرستاد.

به علاوه، آن ها باید طیف وسیعی از بسامدهای نور را جذب و داده ها را برای دوره های بسیار طولانی تر از طول یک پالس سیگنال، ذخیره نمایند. اما والمسلی، این ترکیب را «گامی کلیدی برای ساخت شبکه های بزرگ» می داند. بازه گسترده ای از بسامدها به این معنی است که حافظه می تواند حجم بیشتری از داده ها را در خود جای دهد، در حالی که زمان طولانی ذخیره، قرار دادن چند فوتون در حالت های کوانتومی مطلوب را تسهیل می کند.

والمسلی و تیمش، برای نیل به این هدف، ابری از اتم های سزیم را در حافظه کوانتومی قرار دادند که در دمایی کار می کند که به سادگی قابل حصول است: 62 درجه سانتی گراد. بر خلاف حافظه های کوانتومی قبلی، فوتون های ذخیره شده و باز گسیل شده، مجبور نیستند به بسامدی برسند که الکترون های سزیم تمایل به جذب آن دارند. به جای آن، پالسی از لیزر کنترل فروسرخ، فوتون ها را به «موج اسپینی» تبدیل می کنند؛ یعنی آن را در اسپین های الکترون سزیم و هسته ها جاسازی می کنند.

سیاه رنگ

والمسلی، ابر اتم های سزیم را با تکه شیشه ای شفاف مقایسه می کند که اجازه می دهد نور عبور کند. در گام اول لیزر شیشه را سیاه رنگ می کند و اجازه می دهد تا همه نوری که به آن می رسد، جذب شود. هر چند، بر خلاف شیشه اندود شده که نور به صورت گرما آزاد می شود؛ نوری که به ابر سزیم می رسد در موج اسپینی ذخیره می شود. تا 4 میکروثانیه، پالس دوم لیزر موج اسپینی را دوباره به فوتون تبدیل می کند و سزیم را دوباره نسبت به نور شفاف می کند. پژوهشگران می گویند که بازده 30% سزیم در جذب و بازگسیل فوتون ها، می تواند با پالس هایی با انرژی بالاتر لیزر کنترل، افزایش یابد؛ در حالی که زمان ذخیره می تواند با پوشش بهتر در برابر میدان های مغناطیسی محیط ارتقا یابد، این میدان ها اسپین های اتم های سزیم را مختل می کنند.

حتی در بازده 30% هم، بن بوچلر از دانشگاه ملی استرالیا در کانبرا، این ابزار را «چالشی بزرگ» می خواند زیرا باند گسترده ای از بسامدهای فوتون را جذب می کند. به علت اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، پالس های تک فوتونی بسیار کوتاه منابع امروزی، انرژی های خوش تعریفی ندارند، بنابراین حافظه کوانتومی مفید باید بتوانند بلافاصله طیف گسترده ای از بسامدهای را جذب کند – که بوچلر می گوید حافظه های کوانتومی بازده بالا هنوز قادر به چنین کاری نیستند.

نویز مشکل نیست!

نویز پس زمینه یا فوتون های اضافی تولید شده در ابرهای سزیم که به فوتون های سیگنال مربوط نیستند، اهمیت اساسی برای حافظه های دمای اتاق دارند. والمسلی می گوید:«افراد فکر می کردند که اگر شما گازهای دمای اتاق را در حالت ذخیره استفاده کنید، نویز بسیاری خواهید داشت.»

دماهای نزدیک به صفر مطلق، این فوتون های اضافی را در حافظه های دیگر قرار می دهند. اما به دلیل این که پالس های کنترل و سیگنال در آزمایش گروه آکسفورد، از بسامدهای مطلوب سزیم دور هستند، ابرها کمتر مستعد برانگیختگی‌های فوتون هستند و سطح نویز حتی در دمای اتاق، کوچک باقی می ماند. هوگس دو ریتماتن از موسسه علوم فوتونیک در بارسلونای اسپانیا، می گوید که پژوهشگران نشان دادند که نویز باقی مانده در سامانه «بنیادی» است، یعنی به دلیل طراحی خاص آزمایش آن ها نیست. اگر پیشرفت ها نتوانند نویز را بیشتر کاهش دهند، حفظ یکپارچگی سیگنال در شبکه های پیچیده و بزرگ، چالش برانگیز خواهد بود.

او می گوید:«این رهیافت به شکل بالقوه بسیار جذاب است، زیرا منجر به حافظه کوانتومی برای کیوبیت های فوتونی در دمای اتاق می شود که موفقیتی عظیم برای دانش اطلاعات کوانتومی است.»

لینک مقاله اصلی

لینک مقاله در وبلاگ