近日,科学家成功将一个量子比特存储在晶体内长达20毫秒,创下最新纪录,为远距离量子通信网络的开发奠定了重要基础。

在低温恒温器中,用激光照射用于存储光子量子比特的晶体,图片来自Antonio Ortu

量子物理学使计算机、智能手机、GPS等许多技术的进步成为可能。多国科学家正在研究量子密码学领域,以开发更安全的量子通信网络。但光子在光纤中传输几百公里后容易丢失,信息也随之丢失。因此,为了更好地存储光子中的信息,远距离量子通信离不开“中继器”,这也意味着量子信息的存储时间必须延长。

2015年,瑞士日内瓦大学(UNIGE)科学院应用物理系Mikael Afzelius团队成功将一个由光子携带的量子比特存储在晶体中,存储时间为0.5毫秒。在此过程中,光子在消失前将其量子态转移到晶体的原子上。然而,持续时间仍不足以构建更大的存储网络,扩大存储网络是发展远程量子通信的先决条件。

此次,在欧洲量子技术旗舰计划框架下,前述团队突破以往成果,成功实现了量子比特在晶体中存储20毫秒的世界纪录,向开发远距离量子通信网络迈出了重要一步。相关研究发表在Nature合作期刊《NPJ Quantum Information》。

实验系统与装置,图片来自论文。

在此项研究中,团队使用了掺有稀土铕的晶体,稀土铕能够通过吸收光,再进行发光(即光致发光)。这些晶体以绝对零度保存,因为一旦超过绝对零度10°C,就会破坏晶体内原子之间的纠缠。

“我们对晶体施加了千分之一特斯拉的小磁场,并使用动态解耦方法,包括向晶体发送强烈的射频。”日内瓦大学应用物理系博士后研究员Antonio Ortu说道,“这些技术旨在将稀土离子从环境干扰中解耦出来,并将目前的存储性能提高近40倍。”

这一研究成果是实现远距离量子通信网络的重要进展。研究人员表示,“这是一项基于固态系统(晶体)量子存储器的世界纪录,在保真度略有损失的情况下,我们甚至能让存储时长达到100毫秒。”

但仍有一些挑战需要面对。“目前的挑战是进一步延长存储时间,”Mikael Afzelius认为理论上可以延长晶体暴露在射频下的时间,但需要突破现有技术。此外,团队需要找到一种方法来设计出能够同时存储多个光子的存储器,通过光子纠缠,最终实现保密性。

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