Manipulacje na kwantowym stanie światła

Wojciech Wasilewski (po lewej) i Michał Dąbrowski demonstrują generator pojedynczych fotonów oparty na holograficznej pamięci kwantowej. (fot. Mateusz Mazelanik)

Pamięć kwantowa jest urządzeniem zdolnym przechowywać kwantową superpozycję stanów. Jest ona tak niezbędna podczas przetwarzania kwantowej informacji, jak niezbędna jest pamięć RAM dla działania klasycznego komputera. Skonstruowana na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego realizacja pamięci opiera się na nierezonansowym rozpraszaniu światła w gorących parach atomowych. W procesie zapisu świecimy na atomy silną wiązką laserową, rozpraszając pojedyncze fotony rejestrowane na unikalnej, super-czułej kamerze. Informacja o fotonach jest przechowywana w postaci fali spinowej – kolektywnego wzbudzenia atomów, a następnie w procesie odczytu emitowana w postaci kolejnych fotonów, również rejestrowanych na kamerze. Cały proces ma charakter wielomodowy, to znaczy wytwarzamy jednocześnie wiele niezależnych grup fotonów, co jest klasycznie równoważne posiadaniu tablicy rejestrów pamięci zamiast pojedynczego rejestru, powodując znaczące zwiększenie pojemności pamięci.

W ramach projektu, wykorzystując zewnętrzne pola magnetyczne, zamierzamy przeprowadzić manipulacje na kwantowym stanie światła poprzez selektywne adresowanie i pomiary wybranych stanów atomów. Dotychczasowe manipulacje stanami światła przechowywanymi w pamięciach kwantowych były wykonywane dla makroskopowych natężeń światła – do eksperymentów na pojedynczych fotonach należało dysponować zewnętrznym źródłem. Ponadto układy pamięci kwantowych wykorzystywane przez inne grupy badawcze pracują w trybie jednomodowym, co stanowi poważne ograniczenie dla ich pojemności, jak również możliwości manipulacji różnymi stopniami swobody. Zbudowany przez nas układ wielomodowego generatora fotonów na szansę ukazać ukryte możliwości drzemiące w inżynierii kwantowej. Więcej o urządzeniu.

Wizualizacja splątania pomiędzy pojedynczym fotonem a bilionem atomów. Przedstawiony układ pozwala na demonstrację oryginalnej wersji paradoksu Einsteina, Podolskiego i Rosena. (źródło: Michał Dąbrowski)

Z bogatej struktury atomu rubidu wybierzemy kilka poziomów, które będą selektywnie adresowane wiązkami laserowymi, powodując wytworzenie wielu niezależnych wzbudzeń przechowywanych wewnątrz pamięci. Następnie przy użyciu pola magnetycznego oraz fal na częstościach radiowych, dokonamy spójnej konwersji wzbudzeń z jednego do innego stanu atomowego. Dzięki temu będzie możliwe m.in. sekwencyjne odtworzenie dwóch (lub więcej) przechowywanych w pamięci fotonów, jak również zmiana ich parametrów. Eksperymenty zostaną przeprowadzone na schłodzonych laserowo zimnych atomach, znajdujących się wewnątrz pułapki magnetooptycznej (MOT) uruchomionej w naszym laboratorium.

Produkcja na żądanie stanów wielofotonowych stanowi pierwszy krok na drodze ku obliczeniom kwantowym. Ponadto rozwijanie techniki pamięci wielomodowych ma znaczenie dla zwiększenia pojemności sieci kwantowych (kwantowy Internet), służących do przesyłania pojedynczych fotonów na znaczne odległości. Dzięki kontrolowanym manipulacjom można wytwarzać splątane (lub w przypadku użycia kilku stopni swobody – hipersplątane) stany światła, służące do testowania podstaw mechaniki kwantowej. Więcej o doświadczeniu.

Realizowany projekt stanowi kontynuację badań finansowanych przez NCN w ramach grantów PRELUDIUM 5 dr. Radosława Chrapkiewicza oraz SONATA 2 dr. hab. Wojciecha Wasilewskiego.

mgr Michał Dąbrowski

Michał Dąbrowski podczas pracy w Laboratorium Pamięci Kwantowych. (fot. Mateusz Mazelanik)

W 2014 r. ukończył z wyróżnieniem studia magisterskie na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, na kierunku Fizyka, specjalność Optyka. Obecnie doktorant w Laboratorium Pamięci Kwantowych, w grupie dr. hab. W. Wasilewskiego zajmującej się doświadczalnym badaniem oddziaływań atomów z pojedynczymi fotonami. Jest współautorem pięciu artykułów w czasopismach o zasięgu międzynarodowym, wyniki swoich badań prezentował na licznych konferencjach naukowych. Jego zainteresowania obejmują optykę kwantową i fizykę atomową, w tym przechowywanie światła w układach atomów.

Więcej informacji na stronie internetowej Laboratorium Pamięci Kwantowych.

Data publikacji: 31.03.2017