Memorizzazione ottica quantistica a larga banda e con un elevato numero di modi, con ioni delle terre rare nei solidi

Abstract degli autori

I dispositivi di memoria quantistica a larga banda sono elementi essenziali per le future reti quantistiche. Qui proponiamo uno schema di memoria quantistica a larga banda, chiamato Hole Anti-hole Grating Echo Memory (HAGEM), per ioni delle terre rare nei solidi, implementabile con la maggior parte degli ioni delle terre rare attualmente incorporati in vari tipi di solidi. Con HAGEM è possibile sviluppare, usando le tecnologie attualmente disponibili, un dispositivo di memoria quantistica con un miliardo di modi temporali al secondo. Per convalidare il protocollo di memoria, abbiamo condotto alcuni esperimenti di proof of concept. Presentiamo un complesso molecolare di Eu$^\text{3+}$ con strutture speciali dei livelli iperfini, le cui separazioni presentano una specifica correlazione matematica ottenibile sfruttando l’ingegneria chimica. Usando il protocollo di memoria e il materiale proposti, dimostriamo sperimentalmente un’efficienza di memorizzazione ottica quantistica a singolo modo del 14,9% e una larghezza di banda della memoria di 200 MHz, facilmente estendibile ad alcuni GHz. Inoltre, otteniamo la memorizzazione multimodale di quattro modi temporali con un’efficienza dell’1,3%. Integrando un dispositivo di memoria quantistica a larga banda e con un elevato numero di modi, con un lungo tempo di memorizzazione reso possibile da HAGEM, con l’attuale sorgente disponibile di coppie di fotoni entangled e con linee di ritardo sintonizzabili, è possibile realizzare una rete di ripetitori quantistici con un tasso di distribuzione dell’entanglement dell’ordine di 1 kHz–10 kHz e una distanza di comunicazione di circa 100 km. Ciò faciliterà notevolmente lo sviluppo delle reti quantistiche nel prossimo futuro.