Molti fisici e ingegneri hanno cercato di sviluppare tecnologie quantistiche altamente efficienti in grado di svolgere funzioni simili all’elettronica convenzionale sfruttando gli effetti della meccanica quantistica. Ciò include memorie quantistiche ad alta dimensione, dispositivi di archiviazione con una maggiore capacità di informazione e resilienza al rumore rispetto alle memorie quantistiche bidimensionali.
Finora, lo sviluppo di queste memorie ad alta dimensione si è rivelato impegnativo e la maggior parte dei tentativi non ha prodotto efficienze soddisfacenti. In un articolo pubblicato su Physical Review Letters , un gruppo di ricerca dell'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina e dell'Università Normale di Hefei ha recentemente introdotto un approccio per realizzare una memoria a 25 dimensioni altamente efficiente basata su atomi freddi.
"Il nostro gruppo ha utilizzato la modalità del momento angolare orbitale nel canale spaziale per studiare l'immagazzinamento quantistico ad alta dimensione e ha accumulato una vasta esperienza di ricerca e tecnologia", ha detto a Phys.org Dong Sheng Ding, coautore dell'articolo. "Il nostro obiettivo è sempre stato il raggiungimento di uno storage quantistico altamente dimensionale e ad alta efficienza."
Nei loro studi precedenti, Ding e i suoi colleghi avevano scoperto che le singolari proprietà di un modello spaziale noto come campo ottico del vortice perfetto potrebbero essere particolarmente vantaggiose per lo sviluppo di memorie quantistiche ad alta dimensione. Ciò li ha ispirati a sfruttare l'interazione indipendente dalla modalità tra luce e materia associata a questo modello per realizzare un'archiviazione quantistica efficiente e ad alta dimensionalità.
"Il principio di base del nostro dispositivo di memorizzazione si basa sul fenomeno della trasparenza indotta dall'elettromagnetismo, che è l'interazione tra luce e materia", ha spiegato Ding. "In termini semplici, i fotoni del segnale vengono rallentati fino alla velocità zero nel mezzo e memorizzati per un periodo di tempo. Quindi, le informazioni memorizzate dei fotoni del segnale possono essere recuperate dalla luce di controllo."
Il sistema quantistico creato dai ricercatori è costituito da fotoni di segnale, un raggio di luce di controllo, un insieme atomico freddo di rubidio che funge da mezzo di memorizzazione e un modulatore di luce spaziale che codifica e decodifica informazioni quantistiche ad alta dimensione. La memoria del team codifica informazioni ad alta dimensione sui fotoni del segnale, realizzando infine l'archiviazione ad alta dimensione delle informazioni nel mezzo.
"Prima del nostro lavoro, la memoria quantistica efficiente era limitata ai sistemi quantistici di archiviazione bidimensionali", ha affermato Ding. "Il vantaggio del nostro lavoro sta nell'estendere la dimensione di archiviazione da due a 25, consentendo la preparazione di memoria ad alta dimensionalità che opera nello spazio di Hilbert ad alta dimensionalità. Ciò non solo espande notevolmente la capacità della memoria ma aumenta anche la capacità trasmissibile della comunicazione quantistica, ma ha anche potenziali implicazioni per l'informatica quantistica tollerante ai guasti."
Nei test iniziali, i ricercatori hanno dimostrato che la loro memoria quantistica può memorizzare stati ad alta dimensionalità a 25 dimensioni. In particolare, tuttavia, il loro sistema può anche memorizzare stati arbitrari ad alta dimensione che vanno da 1 a 25 dimensioni (vale a dire, inclusi stati tridimensionali, pentadimensionali, dieci dimensionali e così via).
"I nostri risultati dimostrano la compatibilità della nostra memoria con stati quantistici programmabili ad alta dimensione nell'intervallo da 1 a 25 dimensioni", ha affermato Ding. "Inoltre, abbiamo analizzato teoricamente la scalabilità della dimensionalità della nostra memoria. Ottimizzando ulteriormente la progettazione del percorso ottico, possiamo ottenere un'archiviazione efficiente fino a 100 o anche stati dimensionali superiori, mostrando i vantaggi unici del nostro schema di archiviazione ad alta dimensionalità ."
Il recente lavoro di Ding e dei suoi colleghi ha introdotto un nuovo metodo altamente promettente per ottenere un’efficiente archiviazione quantistica ad alta dimensione. In futuro, questo approccio potrebbe essere utilizzato per creare varie memorie quantistiche ad alta dimensione, che potrebbero a loro volta aiutare a realizzare altre tecnologie quantistiche, come i ripetitori quantistici ad alta dimensione.
"In particolare, attraverso il nostro approccio, è possibile realizzare una pratica memoria quantistica ad alta dimensione", ha aggiunto Ding. "In futuro, stabiliremo ripetitori quantistici ad alta dimensione utilizzando memorie quantistiche ad alta dimensione, consentendo la comunicazione quantistica ad alta dimensione tra due o più nodi quantistici remoti."
Ulteriori informazioni: Ming-Xin Dong et al, Archiviazione altamente efficiente di Qudit fotonico a 25 dimensioni in una memoria quantistica basata su atomi freddi, Lettere di revisione fisica (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.240801
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