量子存储器作用（物理学家首先分析Lambda型量子存储器中的噪声）

Shinbrough和Lorenz正在构建的量子记忆实验。它是一个设计用于容纳热金属蒸气的细胞，这是研究人员分析的Lambda型光学量子存储器的一个例子。这张照片是在电池加热时拍摄的，显示熔融的钡在蒸发之前在底部。照片由Kai Shinbrough提供。来源：伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校格兰杰工程学院

未来，通信网络和计算机将使用存储在受量子力学微观定律支配的物体中的信息。此功能可以通过大大增强的安全性和具有空前功能的计算机来支持通信。这些技术的一个重要组成部分将是能够存储量子信息以随意检索的存储设备。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois Urbana-Champaign）物理学教授弗吉尼亚·洛伦茨（Virginia Lorenz）研究Lambda型光学量子存储设备，这是一种有前途的技术，依赖于光与一大群原子相互作用。她正在与研究生Kai Shinbrough一起开发一种基于热金属蒸气的设备。

随着研究人员致力于实用设备，他们还提供了一些对Lambda型设备的首次理论分析。最近，他们报告了第一个基于方差的敏感性分析，描述了物理评论A中实验噪声和缺陷的影响。

“在发表这篇论文之前，你只需要假设量子存储器中的所有东西都表现得很理想，”Shinbrough说。“这是第一次考虑噪声之类的东西，我们的分析结果为实验设计提供了信息。

Lambda型量子存储器使用与两种光相互作用的原子集合：包含被吸收的量子信息的单光子，以及控制光子信息何时被吸收和释放的强大激光脉冲。有几种存储和检索协议依赖于不同的机制，最佳选择取决于原子和控制激光脉冲的性质。

过去对这些协议的分析假设了理想的条件。没有讨论设备噪声和实验设置中的小错误等影响。Shinbrough和Lorenz需要了解这些效应来开发一种强大的量子存储设备，因此他们填补了文献中的这一空白。他们分析了随机设备噪声和实验参数中缓慢的整体漂移对Lambda型设备内存效率的影响，这是衡量设备按预期工作的频率的指标。

“我们使用的技术在经典物理学和工程学中已经很成熟，但我们首次将它们应用于量子系统，”Shinbrough说。

除了考虑实验参数中的噪声和漂移如何单独影响设备性能外，研究人员还使用Sobol灵敏度分析技术来研究所有参数的同时变化如何影响内存效率。这使他们能够确定对每个协议影响最大的参数，并确定不同参数的变化如何组合。

Shinbrough解释说，这项分析的核心结果是了解如何调整不同的实验参数以补偿不同设置中的缺陷。他举了控制脉冲和单光子到达时间变化的例子。每个内存机制都依赖于经过精心调整的到达时间延迟。如果这种延迟开始漂移，那么控制脉冲可以持续更长的时间，因此与单个光子的重叠大致相同，并减轻对记忆效率的影响。

这项分析的结果为Shinbrough和Lorenz的实验工作提供了信息。研究人员发现，某些影响（如铁水蒸气的变化）通常可以忽略不计，而其他影响（如控制脉冲的特性）会对实验性能产生重大影响。

“我们的分析使我们能够充分利用我们设备的特性开发一个更明智的实验，”Lorenz说。“此外，我们已经开发了一个框架，允许其他人对他们的实验进行相同的分析。

更多信息：Kai Shinbrough等人，Λ型量子存储器基于方差的灵敏度分析，物理评论A（2023）。DOI： 10.1103/PhysRevA.107.033703

期刊信息：物理评论A