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Gestire disturbi nei sistemi quantistici

I ricercatori affrontano la decoerenza motoria nelle tecnologie quantistiche usando il "dressing" ottico.

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I sistemi quantistici, come quelli usati nelle tecnologie avanzate, possono essere molto sensibili alle perturbazioni. Queste perturbazioni possono arrivare da cose come il calore, creando problemi nel mantenere il sistema stabile. Un grande focus della ricerca è trovare modi per far funzionare bene questi sistemi riducendo queste perturbazioni. Un metodo che i ricercatori stanno esaminando si chiama correzione degli errori quantistici, che aiuta a sistemare o gestire questi problemi.

La Sfida del Dephasing Motionale

Una delle sfide nei sistemi quantistici è un processo chiamato dephasing motionale. Questo succede quando le particelle in uno stato quantistico si muovono a causa della temperatura, portando a una perdita di coerenza. Quando le particelle si muovono a caso, le fasi delle loro funzioni d'onda possono andare fuori sincrono, causando errori nelle informazioni quantistiche. Questo può limitare quanto bene funzionano i dispositivi quantistici, rendendo difficile usarli in modo efficace in tecnologie come la comunicazione quantistica e l'elaborazione delle informazioni.

In particolare, i ricercatori stanno studiando un tipo speciale di stato collettivo noto come polaritoni di Rydberg. Questi vengono usati per creare strumenti potenti nella tecnologia quantistica ma sono stati ostacolati dal rapido dephasing motionale menzionato in precedenza. Al momento, non ci sono molte tecniche efficaci per correggere questo problema.

Un Nuovo Approccio con la Luce

Per affrontare questo problema, gli scienziati stanno usando una tecnica chiamata vestizione ottica, che implica l'uso di luce laser per applicare cambiamenti specifici agli stati atomici. Facendo brillare i laser sugli atomi, i ricercatori possono regolare le fasi degli atomi per riallinearli. La chiave qui è che possono tenere traccia del movimento degli atomi e applicare il giusto spostamento di fase a ciascuno in base alla sua velocità.

Questo metodo permette ai ricercatori di mantenere lo stato quantistico del sistema per un tempo più lungo rispetto alle tecniche precedenti. Hanno scoperto che usando questa vestizione ottica con i laser Raman, possono annullare gli effetti del dephasing motionale. Questo significa che il Tempo di Coerenza degli stati quantistici aumenta significativamente, permettendo una migliore performance nei dispositivi quantistici.

Come Funziona il Protocollo

Il processo inizia creando uno stato collettivo con gli atomi prima che inizino a muoversi. I ricercatori possono scrivere un singolo fotone in un gas ultrafreddo di atomi, catturando lo stato collettivo. Senza alcun movimento, potrebbero recuperare perfettamente il fotone in seguito. Tuttavia, quando gli atomi iniziano a muoversi a causa delle fluttuazioni termiche, le fasi del sistema inevitabilmente si allontanano.

Il protocollo include diversi passaggi:

  1. Preparazione dello Stato Iniziale: I ricercatori caricano prima il fotone nell'insieme atomico, creando lo stato collettivo di Rydberg W.
  2. Monitoraggio del Movimento: Man mano che gli atomi si muovono, ciascun atomo sperimenta un cambiamento di fase a causa della sua nuova posizione. I ricercatori tengono traccia della velocità e della posizione di ogni atomo.
  3. Correzione della Fase Usando Impulsi Laser: Applicando impulsi laser, i ricercatori possono introdurre una fase casuale che dipende dalla velocità dell'atomo. Questo aiuta a correggere la fase collettiva dello stato atomico.
  4. Tempo di Attesa: Dopo un periodo di attesa specifico, i ricercatori applicano un altro impulso per ripristinare gli stati atomici alla loro condizione desiderata.
  5. Recupero: Infine, recuperano il fotone, ora con le fasi allineate grazie ai passaggi precedenti.

Questo intero processo è chiamato "protocollo di attesa." Fornisce un modo per sopprimere il dephasing motionale, permettendo che le informazioni quantistiche vengano trattenute più a lungo.

Impostazione Sperimentale

Gli esperimenti vengono condotti utilizzando un insieme freddo di atomi di cesio. Questi atomi vengono intrappolati usando laser in un ambiente controllato per minimizzare il rumore e le perturbazioni. Quando il team invia un laser di segnale alla nuvola di atomi, imposta le condizioni per lo stato di polaritoni di Rydberg. I ricercatori manipolano attentamente i fasci laser per garantire che le interazioni rimangano forti, evitando eccitazioni indesiderate che potrebbero portare a dephasing.

Il laser di segnale è abbinato a un forte laser di accoppiamento. Quando il laser di accoppiamento viene spento, lo stato è preservato grazie al blocco di Rydberg, che consente solo un'eccitazione all'interno dell'insieme atomico. I ricercatori usano poi laser di ri-fase aggiuntivi per correggere le fasi degli atomi, utilizzando il protocollo di attesa per mantenere la coerenza per periodi più lunghi.

Risultati dello Studio

I risultati degli esperimenti hanno mostrato un miglioramento significativo nella stabilità. Il team ha dimostrato che il protocollo di attesa potrebbe estendere notevolmente il tempo di stoccaggio dello stato quantistico sopprimendo il dephasing motionale che normalmente ostacola la performance.

In termini pratici, questo significa che i sistemi quantistici potrebbero diventare più affidabili ed efficienti. Potrebbero essere utilizzati in applicazioni come la comunicazione quantistica, dove il trasferimento affidabile delle informazioni è fondamentale. Usando questa tecnica, i ricercatori sperano in progressi nella costruzione di reti quantistiche robuste e nello sviluppo di computer quantistici.

Implicazioni per le Tecnologie Future

La possibilità di controllare la coerenza degli stati quantistici apre nuove possibilità. Ad esempio, questo metodo potrebbe portare a migliori fonti di fotoni singoli, che sono vitali per la comunicazione e la crittografia quantistica. Potrebbe anche migliorare le prestazioni dei cancelli quantistici e velocizzare la lettura delle informazioni quantistiche.

Le implicazioni si estendono a settori come il networking quantistico. In una situazione in cui due nuvole atomiche sono distanti, questo metodo può aiutare a mantenere la coerenza necessaria per l'intreccio tra di esse. Riducendo il dephasing motionale, il tempo necessario per l'interazione tra sistemi quantistici distanti diminuisce.

Conclusione

La ricerca mostra che usare la vestizione ottica può gestire efficacemente le sfide del dephasing motionale nei sistemi quantistici. Il protocollo di attesa innovativo migliora significativamente il tempo di coerenza degli stati di polaritoni di Rydberg. Questo ci avvicina a sfruttare il pieno potenziale delle tecnologie quantistiche, aprendo la strada a progressi nella comunicazione, nel calcolo e nel networking quantistico. I risultati evidenziano una strada promettente per ulteriori esplorazioni e sviluppi nel campo dell'ottica quantistica.

Fonte originale

Titolo: Quantum error correction of motional dephasing using optical dressing

Estratto: Maintaining the coherence in quantum systems is interesting in both fundamental physics and quantum information processing. In particular, suppressing the dephasing caused by thermal fluctuations in quantum systems can potentially enable functional quantum devices. Techniques to reduce motional dephasing of quantum superpositions include spin echo and bang-bang. In this paper, we demonstrate the effectiveness of a novel protocol on a collective quantum superposition state known as a Rydberg polariton. These collective states are potentially important in the context of single photon sources, optical transistor, all-optical quantum gates and fast read-out of quantum information. However progress in Rydberg polariton quantum technology has been hindered by fast motional dephasing on which no effective methods exist for undoing it. Here, we show how our protocol via optical dressing using Raman lasers cancels dephasing and enhances coherence times by more than an order of magnitude.

Autori: Yuechun Jiao, Changcheng Li, Jiabei Fan, Jingxu Bai, XiaoFeng Shi, Suotang Jia, Jianming Zhao, C. Stuart Adams

Ultimo aggiornamento: Sep 7, 2024

Lingua: English

URL di origine: https://arxiv.org/abs/2409.04769

Fonte PDF: https://arxiv.org/pdf/2409.04769

Licenza: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Modifiche: Questa sintesi è stata creata con l'assistenza di AI e potrebbe presentare delle imprecisioni. Per informazioni accurate, consultare i documenti originali collegati qui.

Si ringrazia arxiv per l'utilizzo della sua interoperabilità ad accesso aperto.

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