近日，科學(xué)家成功將一個量子比特存儲在晶體內(nèi)長達(dá)20毫秒，創(chuàng)下最新紀(jì)錄，為遠(yuǎn)距離量子通信網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)奠定了重要基礎(chǔ)。

在低溫恒溫器中，用激光照射用于存儲光子量子比特的晶體，圖片來自Antonio Ortu

量子物理學(xué)使計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)、GPS等許多技術(shù)的進(jìn)步成為可能。多國科學(xué)家正在研究量子密碼學(xué)領(lǐng)域，以開發(fā)更安全的量子通信網(wǎng)絡(luò)。但光子在光纖中傳輸幾百公里后容易丟失，信息也隨之丟失。因此，為了更好地存儲光子中的信息，遠(yuǎn)距離量子通信離不開“中繼器”，這也意味著量子信息的存儲時間必須延長。

2015年，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)(UNIGE)科學(xué)院應(yīng)用物理系Mikael Afzelius團(tuán)隊(duì)成功將一個由光子攜帶的量子比特存儲在晶體中，存儲時間為0.5毫秒。在此過程中，光子在消失前將其量子態(tài)轉(zhuǎn)移到晶體的原子上。然而，持續(xù)時間仍不足以構(gòu)建更大的存儲網(wǎng)絡(luò)，擴(kuò)大存儲網(wǎng)絡(luò)是發(fā)展遠(yuǎn)程量子通信的先決條件。

此次，在歐洲量子技術(shù)旗艦計(jì)劃框架下，前述團(tuán)隊(duì)突破以往成果，成功實(shí)現(xiàn)了量子比特在晶體中存儲20毫秒的世界紀(jì)錄，向開發(fā)遠(yuǎn)距離量子通信網(wǎng)絡(luò)邁出了重要一步。相關(guān)研究發(fā)表在Nature合作期刊《NPJ Quantum Information》。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與裝置，圖片來自論文。

在此項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)使用了摻有稀土銪的晶體，稀土銪能夠通過吸收光，再進(jìn)行發(fā)光（即光致發(fā)光）。這些晶體以絕對零度保存，因?yàn)橐坏┏^絕對零度10°C，就會破壞晶體內(nèi)原子之間的糾纏。

“我們對晶體施加了千分之一特斯拉的小磁場，并使用動態(tài)解耦方法，包括向晶體發(fā)送強(qiáng)烈的射頻?！比諆?nèi)瓦大學(xué)應(yīng)用物理系博士后研究員Antonio Ortu說道，“這些技術(shù)旨在將稀土離子從環(huán)境干擾中解耦出來，并將目前的存儲性能提高近40倍。”

這一研究成果是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信網(wǎng)絡(luò)的重要進(jìn)展。研究人員表示，“這是一項(xiàng)基于固態(tài)系統(tǒng)（晶體）量子存儲器的世界紀(jì)錄，在保真度略有損失的情況下，我們甚至能讓存儲時長達(dá)到100毫秒?！?/p>

但仍有一些挑戰(zhàn)需要面對?！澳壳暗奶魬?zhàn)是進(jìn)一步延長存儲時間，”Mikael Afzelius認(rèn)為理論上可以延長晶體暴露在射頻下的時間，但需要突破現(xiàn)有技術(shù)。此外，團(tuán)隊(duì)需要找到一種方法來設(shè)計(jì)出能夠同時存儲多個光子的存儲器，通過光子糾纏，最終實(shí)現(xiàn)保密性。