En el futuro, las redes de comunicaciones y las computadoras utilizarán información almacenada en objetos regidos por las leyes microscópicas de la mecánica cuántica. Esta capacidad puede respaldar potencialmente la comunicación con una seguridad muy mejorada y computadoras con un poder sin precedentes. Un componente vital de estas tecnologías serán los dispositivos de memoria capaces de almacenar información cuántica para recuperarla a voluntad.
Virginia Lorenz, profesora de física en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, estudia dispositivos de memoria cuántica óptica de tipo Lambda, una tecnología prometedora que se basa en la interacción de la luz con un gran grupo de átomos. Ella está desarrollando un dispositivo basado en vapor metálico caliente con el estudiante graduado Kai Shinbrough. A medida que los investigadores trabajan en un dispositivo práctico, también brindan algunos de los primeros análisis teóricos de los dispositivos de tipo Lambda. Más recientemente, informaron el primer análisis de sensibilidad basado en la varianza que describe los efectos del ruido experimental y las imperfecciones en Examen físico A.
«Antes de este documento, solo tendría que asumir que todo en la memoria cuántica se comporta de manera ideal», dijo Shinbrough. «Esta es la primera vez que se consideran cosas como el ruido, y los resultados de nuestros análisis informan el diseño experimental».
La memoria cuántica de tipo lambda utiliza una colección de átomos que interactúan con dos tipos de luz: fotones individuales que contienen información cuántica que se absorbe y potentes pulsos láser que controlan cuándo se absorbe y libera la información de los fotones. Hay varios protocolos de almacenamiento y recuperación que se basan en diferentes mecanismos, y la mejor opción está determinada por las propiedades de los átomos y los pulsos de láser de control.
Los análisis anteriores de estos protocolos supusieron condiciones ideales. No se discutieron efectos como el ruido del dispositivo y pequeños errores en entornos experimentales. Shinbrough y Lorenz necesitaban comprender estos efectos para desarrollar un dispositivo de memoria cuántica robusto, por lo que llenaron este vacío en la literatura. Analizaron el impacto tanto del ruido aleatorio del dispositivo como de la deriva general lenta en los parámetros experimentales en la eficiencia de la memoria de un dispositivo de tipo Lambda, una medida de la frecuencia con la que el dispositivo funciona según lo previsto.
«Las técnicas que usamos están bien establecidas en la física y la ingeniería clásicas, pero las estamos aplicando a un sistema cuántico por primera vez», dijo Shinbrough.
Además de considerar cómo el ruido y la deriva en los parámetros experimentales afectan individualmente el rendimiento del dispositivo, los investigadores utilizaron la técnica del análisis de sensibilidad de Sobol para estudiar cómo la variación simultánea de todos los parámetros afecta la eficiencia de la memoria. Esto les permitió identificar los parámetros que tuvieron el impacto más significativo para cada protocolo y determinar cómo se combinan las variaciones en diferentes parámetros.
Shinbrough explicó que el resultado central de este análisis es comprender cómo se pueden ajustar diferentes parámetros experimentales para compensar las imperfecciones en diferentes entornos. Dio el ejemplo de la variación en los tiempos de llegada del pulso de control y el fotón único. Cada mecanismo de memoria se basa en un retraso cuidadosamente ajustado en los tiempos de llegada. Si este retraso comienza a desviarse, entonces se puede hacer que el pulso de control dure más en el tiempo, de modo que la superposición con el fotón único sea aproximadamente la misma y se mitigue el impacto en la eficiencia de la memoria.
Los resultados de este análisis han informado los esfuerzos experimentales de Shinbrough y Lorenz. Los investigadores descubrieron que ciertos efectos, como las variaciones en el vapor de metal caliente, a menudo son insignificantes, mientras que otros, como las características del pulso de control, pueden tener un impacto significativo en el rendimiento experimental.
«Nuestros análisis nos han permitido desarrollar un experimento mejor informado aprovechando al máximo las propiedades de nuestro dispositivo», dijo Lorenz. «Además, hemos desarrollado un marco que permite a otros realizar los mismos análisis para sus experimentos».
