En el futuro, las redes de comunicación y las computadoras utilizarán información almacenada en objetos que se rigen por las leyes microscópicas de la mecánica cuántica. Esta capacidad puede admitir conectividad con una seguridad muy mejorada y computadoras con una potencia 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 basada en la interacción de la luz con una gran colección de átomos. Ella está desarrollando un dispositivo basado en vapor de metal caliente con el estudiante graduado Kai Shinbra.

Mientras los investigadores trabajan en un dispositivo práctico, también presentan algunos de los primeros análisis teóricos de los dispositivos de tipo Lambda. Recientemente, informaron el primer análisis de sensibilidad basado en la varianza que describe los efectos del ruido y las imperfecciones experimentales en revisión física a.

“Antes de este documento, solo tenía que asumir que todo en la memoria cuántica se comporta perfectamente”, dijo Shenbro. “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 matriz 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 muchos 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 controlados.

Los análisis previos de estos protocolos asumieron condiciones ideales. No se discuten efectos como el ruido del dispositivo y pequeños errores en entornos experimentales. Shenbro 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 efecto tanto del ruido aleatorio del dispositivo como de la desviación total lenta en los parámetros experimentales sobre la eficiencia de la memoria de un dispositivo de tipo Lambda, que es 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 geometría clásicas, pero las estamos aplicando a un sistema cuántico por primera vez”, dijo Shinbrough.

Además de observar cómo el ruido y la deriva en los parámetros experimentales afectan individualmente el rendimiento del dispositivo, los investigadores utilizaron la técnica de análisis de sensibilidad de Sobol para estudiar cómo la variación simultánea de todos los parámetros afectaba la eficiencia de la memoria. Esto les permitió determinar qué parámetros tenían la influencia más significativa para cada protocolo y determinar cómo se combinaron las diferencias en los diferentes parámetros.

Un resultado central de este análisis, explicó Shinbrough, es la comprensión de cómo se pueden ajustar diferentes parámetros experimentales para compensar los defectos en diferentes entornos. Dio un ejemplo de la variación en los tiempos de llegada del pulso de control y del fotón único. Cada mecanismo de memoria se basa en un retraso cuidadosamente ajustado en los tiempos de acceso. Si este retraso comienza a desviarse, se puede hacer que el pulso de control dure más en el tiempo para que la interferencia con el fotón individual sea aproximadamente la misma y se mitigue el efecto sobre la eficiencia de la memoria.

Los resultados de este análisis han informado los esfuerzos experimentales de Shinbrough y Lorenz. Los investigadores descubrieron que algunos efectos, como las variaciones en el vapor de metal caliente, a menudo son insignificantes, mientras que otros, como las características de un pulso controlado, pueden tener un impacto significativo en el rendimiento experimental.

“Nuestros análisis nos permitieron desarrollar una experiencia más informada mientras aprovechamos al máximo las características de nuestros dispositivos”, dijo Lorenz. “Además, hemos desarrollado un marco que permite a otros realizar los mismos análisis de sus experimentos”.