量子存储器创造了存储时间的新世界纪录

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电脑、智能手机、GPS：量子物理学促成了许多技术进步。它现在正在开辟新的密码学研究领域，目的是开发超安全的电信网络。然而，有一个障碍：在光纤中传输几百公里后，携带量子比特(信息)的光子消失了。因此，他们需要“中继器”——大部分基于量子存储器。

现在，日内瓦大学(UNIGE)的一个研究团队成功地将一个量子比特存储在晶体(一种“存储器”)中20毫秒，创造了新的世界纪录，并向远程量子电信网络的发展迈出了重要一步。相关研究成果以“在稀土掺杂晶体中存储光子time-bin量子比特长达20毫秒”为题发表在《自然》杂志子刊npj quantum information[1]。

用于存储光子量子比特的晶体，在低温恒温器中用激光照射

通过打破经典物理学，量子理论带来了一场真正的革命，并引入了宏观世界中没有的概念，如叠加，描述了一个粒子同时处于多个位置的可能性，或纠缠，描述了两个粒子即使在远处也能瞬间相互影响的能力(“幽灵般的超距作用”)。

量子理论现在是许多密码学研究的核心，密码学是一门集合了信息编码技术的学科。当信息(量子比特)通过光纤中的光子在两个对话者之间传输时，量子理论可以保证信息(量子比特)的完美真实性和保密性。叠加现象让发送者立即知道传输信息的光子是否被拦截。

然而，发展远程量子通信系统存在一个主要障碍：在几百公里之外，光子会丢失，信号也会消失。由于信号无法复制或放大，它将失去保证其机密性的量子态。因此挑战在于找到一种在不改变信号的情况下重复信号的方法，特别是通过创建基于量子存储器的“中继器”。

2015年，由日内瓦大学(UNIGE)科学学院应用物理系高级讲师Mikael Afzelius领导的团队成功地将一个光子携带的量子比特在晶体中存储了0.5毫秒。这个过程允许光子在消失之前将其量子态转移到晶体的原子上。然而，这种现象并没有持续足够长的时间，以构建更大的存储器网络，而这是发展远程量子电信的先决条件。

在欧洲量子旗舰计划的框架内，Mikael Afzelius团队通过存储一个量子比特20毫秒，成功地大幅增加了这一持续时间。平均存储器输出保真度为F =(85 ± 2)%，每个量子比特的平均光子数为μ_in =0.92 ± 0.04。

研究人员说：“这是基于固态系统的量子存储器的世界纪录，本文中是一种晶体。我们甚至在保真度略有损失的情况下成功达到了100毫秒。”

20 ms (a)、50 ms (b)和100 ms (a)的量子比特存储情况

和他们之前的工作一样，UNIGE的科学家使用了掺杂了稀土金属(本文中是铕)的晶体，这种金属能够吸收光，然后将其重新发射出来。这些晶体保持在约-273.15℃(绝对零度)，因为超过这个温度10℃，晶体的热扰动会破坏原子的纠缠。

日内瓦大学应用物理系博士后Antonio Ortu解释说：“我们在晶体上施加了千分之一特斯拉的小磁场，并使用了动态去耦方法，即向晶体发送强烈的射频。这些技术的效果是将稀土离子与环境扰动去耦，并将我们迄今已知的存储性能提高了近40倍。”

这项研究是远程量子通信网络的重大进展。他们还将光子携带的量子态的存储提升到了人类可以估计的时间尺度。

然而，仍有一些挑战需要应对。Afzelius说：“现在的挑战是进一步延长存储时间。理论上，增加晶体暴露在射频下的持续时间就足够了，但就目前而言，在较长时间内实施这些技术的技术障碍使我们无法超过100毫秒。然而，这些技术困难肯定可以解决。

科学家们还必须找到设计能够同时存储多个光子的存储器的方法，从而拥有“纠缠”光子，这将保证保密性。研究人员总结道：“我们的目标是开发一个在所有这些方面都表现良好的系统，并且可以在十年内推向市场。”

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41534-022-00541-3

[2]https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=60127.php

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