Equipo de investigación sincroniza fotones individuales utilizando una memoria cuántica atómica.

30 de julio de 2023 característica

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por Ingrid Fadelli, Phys.org

Un desafío persistente en el campo de la física cuántica es la sincronización eficiente de fotones individuales generados de forma independiente (es decir, partículas de luz). Lograr esto tendría implicaciones cruciales para el procesamiento de información cuántica que se basa en interacciones entre múltiples fotones.

Investigadores del Instituto Weizmann de Ciencia demostraron recientemente la sincronización de fotones individuales generados de forma independiente utilizando una memoria cuántica atómica que opera a temperatura ambiente. Su artículo, publicado en Physical Review Letters, podría abrir nuevas vías para el estudio de estados de múltiples fotones y su uso en el procesamiento de información cuántica.

'La idea del proyecto surgió hace varios años, cuando nuestro grupo y el grupo de Ian Walmsley demostraron una memoria cuántica atómica con un esquema de nivel atómico invertido en comparación con las memorias típicas: la memoria en forma de escalera rápida (FLAME)', dijo Omri Davidson, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio, a Phys.org. 'Estas memorias son rápidas y libres de ruido, por lo que son útiles para la sincronización de fotones individuales'.

La computación cuántica fotónica y otros protocolos de información cuántica dependen de la generación exitosa de estados de múltiples fotones. Como la mayoría de las fuentes cuánticas empleadas en investigaciones hasta la fecha son probabilísticas, no son adecuadas para generar estados de múltiples fotones a un ritmo razonable.

Como parte de su estudio reciente, Davidson y sus colegas se propusieron explorar la posibilidad de realizar estos estados utilizando una memoria cuántica atómica, dispositivos que pueden almacenar los estados cuánticos de los fotones mientras conservan la información cuántica que llevan. Su predicción era que su memoria cuántica atómica sería capaz de almacenar fotones generados de forma probabilística y liberarlos a demanda para generar un estado de múltiples fotones.

'El objetivo de la investigación actual fue demostrar la sincronización de fotones individuales utilizando una memoria cuántica atómica independiente a temperatura ambiente por primera vez', dijo Davidson. 'Para lograr esto, tuvimos que reconstruir la memoria con varias mejoras, así como construir una fuente de fotones individuales que pudiera interactuar de manera eficiente con la memoria. Finalmente, estábamos listos para demostrar la sincronización real de fotones, que interconectó la fuente de fotones y los módulos de memoria, con la electrónica de control adecuada del experimento'

FLAME, la memoria cuántica utilizada por los investigadores y desarrollada como parte de su investigación anterior, se basa en un esquema de nivel atómico invertido, conocido como esquema en forma de escalera. En comparación con las memorias convencionales en estado fundamental, que suelen ser lentas y vulnerables al ruido, FLAME es rápida y libre de ruido, pero solo puede almacenar información durante períodos de tiempo más cortos. Dado que la velocidad y la ausencia de ruido son propiedades esenciales para la sincronización de fotones individuales, esperaban que les permitiera generar estados de múltiples fotones cuánticos.

'La segunda ventaja de nuestro esquema de escalera específico en átomos de rubidio es la pequeña desigualdad de longitud de onda de las transiciones de campos de luz señal y control', explicó Davidson. 'Esto permite una vida útil de memoria relativamente larga en comparación con otros esquemas de escalera con una mayor desigualdad de longitud de onda de dos fotones debido al estrechamiento Doppler de dos fotones más pequeño. Finalmente, generamos los fotones utilizando la misma estructura de nivel atómico que nuestra memoria, lo que permite el acoplamiento eficiente de los fotones con la memoria'

Las muchas ventajas del esquema de memoria FLAME del equipo contribuyeron colectivamente al éxito de su experimento, lo que les permitió sincronizar fotones individuales a alta velocidad. Utilizando su memoria cuántica atómica, pudieron almacenar y recuperar fotones individuales con una eficiencia de extremo a extremo de ηe2e=25% y un antibloqueo final de g(2)h=0.023, alcanzando una tasa de más de 1,000 pares de fotones sincronizados por segundo.

G (2) h, o antibloqueo de fotones, es una medida de qué tan 'individual' son los fotones individuales. Los fotones individuales perfectos tienen g(2)h= 0, mientras que la luz clásica tiene g(2)h= 1. Por lo tanto, con g(2)h= 0.023, los fotones sincronizados por los investigadores siguen siendo casi fotones individuales perfectos, gracias al funcionamiento libre de ruido de la memoria.

'We were able to synchronize photons that are compatible with atomic systems at high rate,' Davidson said. 'Photons that are compatible with atoms are important for many photonic quantum information protocols, such as a deterministic two-qubit entangling gate. Previous photon synchronization demonstrations either used broadband photons which are not compatible with atomic systems, or photons that are compatible with atomic systems with extremely low rates.'

The photon synchronization rate that Davidson and his colleagues attained in their experiments is more than 1,000 times better than previous demonstrations using photons that are compatible with atomic systems. Their work opens new avenues for the study of interactions between multi-photon states and atoms, such as so-called deterministic two-photon entangling gates. In the future, it could have valuable implications both for the realization of quantum information processing and quantum optics systems.

'We are currently exploring two research paths,' Davidson added. 'The first is to achieve strong photon-photon interactions with rubidium atoms, in a similar system to the one used for synchronization. Achieving this goal will enable us to demonstrate a deterministic entangling gate between the synchronized single-photons.

'These gates are an important component in photonic quantum computation, as they enable to reduce the resource overhead over currently pursued methods (called linear-optics quantum computation). To date, these gates were only demonstrated with cold atoms setups, and not hot atoms, which limits the scalability of these systems.'

In their next studies, Davidson and his colleagues also plan to further develop their FLAME memory, allowing it to store a photonic qubit (i.e., a photon in a quantum superposition of two polarization states), rather than only storing individual photons in one polarization state. This could ultimately allow them to perform quantum computations using photons.

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