科学家成功延长量子比特在晶体中的存储时间，创20毫秒纪录

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。