La luz es un excelente portador de información que se utiliza no sólo para las tecnologías de comunicación clásicas sino también para aplicaciones cuánticas como las redes cuánticas y la informática. Sin embargo, procesar señales luminosas es mucho más complejo que trabajar con señales electrónicas ordinarias.
Un equipo internacional de investigadores, incluida la Dra. Olga Kocharovskaya, profesora distinguida del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad Texas A&M, ha demostrado una nueva forma de almacenar y liberar pulsos de rayos X al nivel de un fotón: un concepto que se propuso anteriormente. En el primer trabajo teórico del grupo de Kocharovskaya, que puede ser aplicable a futuras tecnologías cuánticas de rayos X.
El trabajo del equipo, dirigido por el profesor Dr. Ralf Rohlsberger del Instituto Helmholtz de Jena y llevado a cabo utilizando las fuentes de sincrotrón PETRA III en el Sincrotrón de Electrones Alemán (DESY) en Hamburgo y la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón en Francia, dio como resultado la memoria cuántica por primera vez. comprendió. Rango de rayos X duro. Sus hallazgos se publican en la revista. Avances en la ciencia.
“La memoria cuántica es un elemento indispensable de una red cuántica, que proporciona almacenamiento y recuperación de información cuántica”, dijo Kocharoskaya, miembro del Instituto Texas A&M de Ciencia e Ingeniería Cuántica. “Los fotones son portadores rápidos y robustos de información cuántica, pero es difícil mantenerlos estacionarios en caso de que esa información se necesite más adelante. Una forma sencilla de hacerlo es mapear esa información en un medio semiestacionario… un largo tiempo de coherencia de la polarización u onda de espín y la reemisión del fotón original.”
Se han establecido varios protocolos para las memorias cuánticas, pero se limitan a fotones ópticos y pares atómicos, afirma Kocharoskaya. El uso de átomos en lugar de pares de átomos, añade, proporciona una mayor densidad de estado sólido y tiempos de memoria más prolongados, incluso a temperatura ambiente. Esos tiempos de memoria prolongados son resultado directo de la sensibilidad reducida de las transiciones nucleares a las perturbaciones de campos externos gracias al tamaño más pequeño de los núcleos. Combinados con un enfoque estricto de fotones de alta frecuencia, estos enfoques podrían conducir al desarrollo de memorias cuánticas compactas de estado sólido de banda ancha y larga duración.
“La extensión directa de los protocolos ópticos/atómicos a los de rayos X/nucleares ha resultado desafiante o imposible”, explica el Dr. Xuein Zhang, investigador postdoctoral del grupo de Kocharovskaya que participó en el experimento y fue coautor del artículo del equipo. “Por lo tanto, en nuestro trabajo anterior se propuso un nuevo protocolo”.
Según Zhang, la idea detrás del nuevo protocolo del equipo es muy simple, al menos en términos de fundamentos cuánticos. Básicamente, un conjunto de absorbentes atómicos dinámicos forman un peine de frecuencias en el espectro de absorción debido al cambio de frecuencia Doppler causado por el movimiento. Se reemitirá un pulso corto desde dicho conjunto de objetivos nucleares con un espectro combinado determinado por el desplazamiento Doppler inverso como resultado de la interferencia constructiva entre los diferentes componentes espectrales.
“Esta idea se realizó con éxito en nuestro experimento actual que incluye un absorbente estacionario y seis que se mueven sincrónicamente que forman un peine de frecuencia de siete dientes”, añadió Zhang.
Zhang dice que la vida útil de la coherencia atómica es el factor limitante que determina el tiempo máximo de almacenamiento para este tipo de memoria cuántica. Por ejemplo, utilizar un isómero de vida más larga que el isótopo hierro-57 que el equipo eligió para su estudio actual daría como resultado tiempos de memoria más largos.
Independientemente, señala que operar a nivel de fotón único sin perder información califica el protocolo de peine de frecuencia atómica como una memoria cuántica, una novedad en las energías de rayos X. Los próximos pasos planificados por el equipo incluyen la liberación bajo demanda de paquetes de ondas de fotones almacenados, lo que puede provocar un entrelazamiento entre diferentes fotones de rayos X duros, la clave para el procesamiento de información cuántica. La investigación del equipo también destaca el potencial de extender las tecnologías cuánticas ópticas al rango de longitud de onda corta, que es intrínsecamente menos “ruidoso” debido al promedio de fluctuaciones en una gran cantidad de oscilaciones de alta frecuencia.
Kocharovskaya dice que las desafiantes posibilidades son emocionantes y ella y sus colegas esperan explorar las capacidades de su plataforma capaz, robusta y altamente versátil para avanzar en el campo de la óptica cuántica en energías de rayos X en un futuro cercano.
