美国加州理工改进量子存储系统：让原子“手拉手”

科学家已经开发出一种量子存储方法，有助于为大规模光量子网络铺平道路。

新的量子存储系统依赖于原子核自旋，以自旋波的形式产生集体振荡，通过集体振荡有效地将几个原子连接起来存储信息。

美国加州理工学院应用物理学和电气工程教授Andrei Faraon团队利用一个由镱(Yb，可用在激光的稀土元素)离子制成的量子比特，将该离子嵌入正钒酸钇(YVO4)的透明晶体中，并通过光学和微波场的组合来操纵其量子态。然后，团队使用镱的量子位来控制晶体中多个钒原子的核自旋状态。研究成果于2月16日发表在《自然》(Nature)期刊上。

图片来自《自然》(Nature)期刊

“根据我们之前的工作，单个镱离子被认为是光量子网络的优秀候选材料，”Faraon教授说，“但我们需要将它与其它原子连接起来。我们在这项工作中证明了这一点。”

实验设备在美国加州理工学院的Kavli纳米科学研究所制作完成，然后在Faraon教授的实验室中进行低温测试。

据研究人员，这种利用纠缠核自旋作为量子存储的新技术是受到核磁共振(NMR)方法的启发。

“为了能在核自旋中存储量子信息，我们开发了与医院使用的核磁共振机相类似的新技术，”论文共同通讯作者Joonhee Choi说，“主要的挑战是让现有技术能在没有磁场的情况下工作。”

该团队所测量的每个量子位均有一个相同的寄存器，这意味着该量子存储系统能够存储相同的信息。

“可复制并可靠地构建这项技术，是成功的关键。”论文第一作者Andrei Ruskuc表示，“在科学背景下，这项研究让我们对镱量子位和钒原子之间的微观相互作用，具有前所未有的了解。”

这项研究成果有助于为未来量子网络奠定基础，并为大规模光量子网络铺平道路。

量子计算机凭借量子力学的特殊特性，包括叠加特性，即允许量子比特同时以1和0的形式存储信息，从而比传统计算机更快地执行计算功能。

而就像经典计算机一样，工程师们希望能够连接多台量子计算机，实现共享数据并一同工作，从而创建一个“量子互联网”。这将为许多应用打开大门，包括解决单个量子计算机无法处理的庞大计算能力，以及使用量子密码学建立牢不可破的安全通信网络。