新型量子存储器能否帮助构建未来网络？

瑞士巴塞尔大学(University of Basel)的物理学家发明的一种新型量子存储器，为量子网络的扩展开辟了一条清晰的道路。巴塞尔大学量子光学实验室的Philipp Treutlein、Roberto Mottola和Gianni Buser利用一个充满铷蒸气的毫米级玻璃单元，展示了如何在室温下将量子数据存储在气体原子中，然后利用光脉冲进行检索。

室温操作使这些单元在量子网络中得到了实际应用——这种存储元件可以根据需要临时存储量子数据，并沿着网络进行路由。“我们的硅玻璃单元还兼容晶圆级制造。”Mottola告诉EE Times Europe，“这意味着它们可以批量生产——你可以在一个晶圆上一次安装将大约700个这样的单元。”

“光量子存储器是量子网络的基石。”他补充道，“目前这些存储单元可用于本地网络的快速操作。”

微型存储器

要在未来的量子计算机网络上发送数据，通过有损链路存储和传输量子纠缠粒子的量子中继器将至关重要。为了保存粒子的纠缠量子态，这种量子中继器将需要存储这些状态，实际上起到量子存储器的作用。

长期以来，世界各地的研究人员一直在设计基于冷原子、分子气体和超材料等的量子信息存储系统，但其中许多方法都很复杂，难以制造，而且需要在超低温下运行。然而，早在2022年11月，Treutlein和他的同事就揭示了他们是如何创造出一种在室温下运行的相对简单的铷蒸气量子存储器的(如图所示)。

图：光脉冲可以在一个只有几毫米大小的铷蒸气单元中存储和检索。(来源：巴塞尔大学/Scixel)

当时，研究人员通过将单个光子引导到玻璃单元中，并在检索之前将其存储数百纳秒，证明了他们的概念是可行的。但正如Mottola最近指出的那样，“玻璃单元是手工制作的，只有几厘米大小。为了适合日常使用，这种单元需要更小并能量产”。

研究人员现在已经证明，他们的量子存储器在使用从硅晶片上蚀刻而成的直径仅为5mm、厚度仅为2mm的微加工MEMS单元时是有效的。“该单元最初是为原子钟应用而制造的。”Mottola指出。

在新的量子存储器装置中，研究人员使用红外激光将单元加热到约100℃，以增加其蒸气压，优化光子原子的相互作用。研究人员还将该单元置于1T的磁场内，并用额外的激光泵送，以改变铷蒸气原子中的能级，为光子存储做好准备。

为了验证这一原理，研究人员随后向该单元发射了激光脉冲，将其衰减至接近入射的单个光子。衰减后的脉冲在气体原子中存储了约100ns(自由光子在这么短的时间内实际上可以传播30m)，然后被检索出来。正如研究人员在《物理评论快报》中所写，“我们在微加工蒸气单元中实现的量子存储器，为量子网络的现实扩展开辟了一条道路”。

研究人员还在继续完善他们的装置，以延长存储时间，并已与瑞士技术创新中心CSEM的研究人员合作，开发新的蒸气单元。其中一种方案是在单元壁上添加抗松弛涂层(如石蜡)，以帮助在碰撞单元壁后保持原子的状态。“这可以让原子经受数千次反弹而不丢失自旋信息。”Mottola指出。

同时，还可以缩小蒸气单元的尺寸，使其与入射激光束的半毫米宽度相匹配，增强光子与原子之间的相互作用。Mottola表示，这种双管齐下的方法可以将光子存储时间从数百纳秒提高到微秒级，使该技术更接近于量子局域网的应用。“我们可以在一个房间里连接几个量子处理器，并使用一个或多个存储器……这里不需要秒级的存储时间。”他表示。

量子网络

研究人员还打算使用基于砷化镓(GaAs)量子点的单光子源测试他们的装置。“在此，巴塞尔大学Richard Warburton的纳米光子学小组已经开发出能以铷原子波长发光的优质GaAs量子点。”Mottola指出，“我们的一大目标是将我们的存储器与他们的量子点连接起来，并建立一个量子网络节点。”

Mottola说，“计划的一部分”是实施量子频率转换器，将近红外光子的波长改变为电信波长。“这样，我们就可以通过光纤网络将光子发送到更远的地方。”他指出，“这些频率转换器现在非常高效，并且提供了一种使用铷原子的可行方法，而不是试图在电信波长上构建存储器。”

根据Mottola的说法，新单元设计的另一种方法是同步来自多个量子存储器的单光子发射。这种方法可以研究用于量子信息处理的多光子态。

“既然我们已经证明了我们的概念，我们真的希望在未来几年开始研究这些有趣的应用，”Mottola总结说。

（原文刊登于EE Times欧洲版，参考链接：Can a New Quantum Memory Help Build the Networks of Tomorrow?，由Franklin Zhao编译。）

本文为《电子工程专辑》2024年8月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。