No futuro, redes de comunicação e computadores usarão informações armazenadas em objetos regidos pelas leis microscópicas da mecânica quântica. Esse recurso pode sustentar a comunicação com segurança bastante aprimorada e computadores com poder sem precedentes. Um componente vital dessas tecnologias serão os dispositivos de memória capazes de armazenar informações quânticas para serem recuperadas à vontade.

Virginia Lorenz, professora de física na Universidade de Illinois Urbana-Champaign, estuda dispositivos de memória quântica óptica do tipo Lambda , uma tecnologia promissora que depende da luz interagindo com um grande grupo de átomos. Ela está desenvolvendo um dispositivo baseado em vapor metálico quente com o aluno de pós-graduação Kai Shinbrough.

À medida que os pesquisadores trabalham em direção a um dispositivo prático, eles também fornecem algumas das primeiras análises teóricas de dispositivos do tipo Lambda. Mais recentemente, eles relataram a primeira análise de sensibilidade baseada em variância descrevendo os efeitos do ruído experimental e imperfeições na Physical Review A.

“Antes deste artigo, você apenas teria que assumir que tudo na memória quântica se comporta de maneira ideal”, disse Shinbrough. "Esta é a primeira vez que coisas como ruído foram consideradas, e os resultados de nossas análises informam o design experimental ."

A memória quântica do tipo lambda usa uma coleção de átomos que interagem com dois tipos de luz: fótons únicos contendo informações quânticas que são absorvidas e poderosos pulsos de laser que controlam quando as informações dos fótons são absorvidas e liberadas. Existem vários protocolos de armazenamento e recuperação que dependem de diferentes mecanismos, e a melhor escolha é determinada pelas propriedades dos átomos e pelos pulsos de controle do laser.

Análises anteriores desses protocolos assumiram condições ideais. Efeitos como ruído do dispositivo e pequenos erros em configurações experimentais não foram discutidos. Shinbrough e Lorenz precisavam entender esses efeitos para desenvolver um dispositivo robusto de memória quântica, então preencheram essa lacuna na literatura. Eles analisaram o impacto do ruído aleatório do dispositivo e do desvio geral lento nos parâmetros experimentais na eficiência da memória de um dispositivo do tipo Lambda, uma medida da frequência com que o dispositivo funciona conforme o esperado.

“As técnicas que usamos estão bem estabelecidas na física clássica e na engenharia, mas estamos aplicando-as a um sistema quântico pela primeira vez”, disse Shinbrough.

Além de considerar como o ruído e o desvio nos parâmetros experimentais afetam individualmente o desempenho do dispositivo, os pesquisadores usaram a técnica de análise de sensibilidade de Sobol para estudar como a variação simultânea de todos os parâmetros afeta a eficiência da memória. Isso lhes permitiu identificar os parâmetros que tiveram o impacto mais significativo para cada protocolo e determinar como as variações em diferentes parâmetros se combinam.

Shinbrough explicou que o resultado central dessa análise é entender como diferentes parâmetros experimentais podem ser ajustados para compensar imperfeições em diferentes configurações. Ele deu o exemplo da variação nos tempos de chegada do pulso de controle e do fóton único. Cada mecanismo de memória depende de um atraso cuidadosamente ajustado nos tempos de chegada. Se esse atraso começar a variar, o pulso de controle pode ser feito para durar mais tempo, de modo que a sobreposição com o fóton único seja aproximadamente a mesma e o impacto na eficiência da memória seja mitigado.

Os resultados desta análise informaram os esforços experimentais de Shinbrough e Lorenz. Os pesquisadores descobriram que certos efeitos, como variações no vapor de metal quente, são frequentemente insignificantes, enquanto outros, como as características do pulso de controle, podem ter um impacto significativo no desempenho experimental.

"Nossas análises nos permitiram desenvolver um experimento mais bem informado, aproveitando ao máximo as propriedades do nosso dispositivo", disse Lorenz. "Além disso, desenvolvemos uma estrutura que permite que outros realizem as mesmas análises em seus experimentos."