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量子记忆存储与检索时间创新纪录

2018-11-28 12:42:58

物理学家将量子信息存储到非常冰冷的原子缠结中,并大幅提高了从中检索的时间。虽然提高的时间只有短短几毫秒,但在光学网络中,该时间足够将数据从一个量子中继器传输到另一个,这使科学家朝量子网络的制造迈出了意义重大的一步。该研究成果发表在出版的《自然•物理》杂志上。

这个新的纪录———铷原子存储到偶极光学陷阱的时间为7毫秒,而以前的存储时间纪录是32微秒。美国佐治亚理工学院的亚历克斯•库兹米奇说:“这是真正有意义的一步,因为从概念上讲,它为长距离的量子网络服务提供了更长的存储时间。对于具有许多存储元件的多重体系来讲,几毫秒将允许光的运动穿过一千公里。”扩充存储时间的关键包括使用一维的光晶格将原子“圈起来”,并选择一个不受磁效应影响的原子相位。

量子互联网的目的是分配“缠结”的量子位———两个距离很远、有相互关系的数据位,代表“0”或者“1”。所谓“缠结”是指具有交互作用的粒子之间的神奇连接,即使粒子位于宇宙空间的两边,这种连接都能以极快的速度连接,量子位像光子一样在光纤网络中旅行。

因为在组成网络的光纤中会失去一部分,所以必须等距离地安装中继器来提高信号,通常是100公里一个。这些中继器需要量子记忆来接收光子信号并简单存储,接着产生一个光子信号,携带信息到下一个节点,到达目的地。

为了达成量子记忆,研究人员使用一个铷87原子系综,并将其冷冻到零度以使原子的活动小。为了存储信息,该原子系综被暴露于携带信号的激光之下,允许每一个原子作为“集体激发”的一部分参与存储。

简单来说,每一个原子“看见”了前来的信号———一个快速摆动的电磁场,就会刻下相位信息,该相位信息之后就能被“读”到。尽管非常冰冷,系综原子可在任意方向自由移动。因为每一个原子存储量子信息的一部分,且数据的有用性依赖每个原子参照其他原子的位置,原子大量的运动可能会破坏信息。

物理学家斯图尔特•杰肯斯说,达成长时间量子记忆的挑战是尽可能长时间地维持相位。为了扩展系综原子的记忆时间,研究人员采用了两种方法。

种方法是使用一个由激光柱组成的光晶格将原子圈起来,通过选择激光频率,原子就被吸引到晶格内特定的区域,但它们又不会被紧紧地捆绑在一个地方,因为系综原子受磁性等环境条件影响。第二个策略是使用已被推到对磁场不那么敏感的“时钟转移状态”的原子。

库兹米奇称,尽管这个实验明显地改进了量子记忆,实际的量子网络可能至少还需要10年的时间。

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