專業(yè)第一：產(chǎn)生、存儲(chǔ)和檢索的量子信息

這量子計(jì)算的潛力是巨大的，但距離糾纏粒子能否可靠地?cái)y帶信息仍然是一個(gè)巨大的障礙。最微小的干擾都會(huì)使他們的關(guān)系變得混亂。

為了規(guī)避這個(gè)問題，量子計(jì)算研究人員有找到穩(wěn)定的方法光纖長(zhǎng)度長(zhǎng)或二手衛(wèi)星在近乎真空的太空中保存信號(hào)。

然而，基于量子的網(wǎng)絡(luò)不僅僅是傳輸?？茖W(xué)家們努力破解他們長(zhǎng)期以來追求的目標(biāo)，即開發(fā)一個(gè)由互連單元或“中繼器”組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)也可以像經(jīng)典計(jì)算機(jī)一樣存儲(chǔ)和檢索量子信息，以擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

現(xiàn)在，一組研究人員已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)原子處理節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以包含量子點(diǎn)在與現(xiàn)有電信基礎(chǔ)設(shè)施兼容的波長(zhǎng)下產(chǎn)生的臨界狀態(tài)。

它需要兩個(gè)設(shè)備：一個(gè)用于產(chǎn)生并可能糾纏光子，另一個(gè)“內(nèi)存”組件可以根據(jù)需要存儲(chǔ)和檢索這些光子中最重要的量子態(tài)，而不會(huì)干擾它們。

“將兩個(gè)關(guān)鍵設(shè)備連接在一起是實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵一步，我們非常高興能夠成為第一個(gè)能夠證明這一點(diǎn)的團(tuán)隊(duì)。”說量子光學(xué)物理學(xué)家和主要作者Sarah Thomas，來自倫敦帝國(guó)理工學(xué)院（ICL）。

新提出的系統(tǒng)部分在德國(guó)制造，并在ICL組裝，將一個(gè)能夠一次發(fā)射單個(gè)光子的半導(dǎo)體量子點(diǎn)放置在熱銣原子云中，用作量子存儲(chǔ)器.激光將存儲(chǔ)組件“打開”和“關(guān)閉”，允許光子的狀態(tài)根據(jù)需要從銣云中存儲(chǔ)和釋放。

這個(gè)特殊系統(tǒng)傳輸量子記憶的距離尚未經(jīng)過測(cè)試——它只是地下室實(shí)驗(yàn)室中的概念驗(yàn)證原型，一個(gè)基于甚至沒有糾纏的光子的原型。但這一壯舉可以為量子互聯(lián)網(wǎng)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，而不是僅僅依靠糾纏的光子。

該團(tuán)隊(duì)表示：“這種從原子存儲(chǔ)器中按需召回量子點(diǎn)光的首次演示是邁向可擴(kuò)展量子網(wǎng)絡(luò)的混合量子光物質(zhì)接口的第一步在他們發(fā)表的論文中寫道.

一段時(shí)間以來，量子計(jì)算領(lǐng)域的研究人員一直試圖將光子光源和存儲(chǔ)量子數(shù)據(jù)的處理節(jié)點(diǎn)連接起來，但沒有取得多大成功。

“這包括我們，之前曾兩次嘗試過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，使用不同的內(nèi)存和量子點(diǎn)設(shè)備，可以追溯到五年多前，這恰恰表明了它是多么困難。說該研究的合著者Patrick Ledingham是英國(guó)南安普頓大學(xué)的實(shí)驗(yàn)量子物理學(xué)家。

部分問題在于，迄今為止使用的發(fā)射光子的量子點(diǎn)和原子“記憶”節(jié)點(diǎn)被調(diào)諧到不同的波長(zhǎng);它們的帶寬彼此不兼容。

2020年，一個(gè)來自中國(guó)的團(tuán)隊(duì)嘗試了冷卻銣原子引誘它們進(jìn)入與光子相同的糾纏狀態(tài)，但這些光子必須轉(zhuǎn)換為合適的頻率，以便沿著光纖傳輸它們——這會(huì)產(chǎn)生噪聲，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

托馬斯及其同事設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)系統(tǒng)具有足夠?qū)挼膸?，可以與量子點(diǎn)發(fā)出的波長(zhǎng)連接，并且噪聲足夠低，以免干擾糾纏光子。

雖然這一壯舉意義重大，但研究人員仍在努力改進(jìn)他們的原型。為了創(chuàng)建量子網(wǎng)絡(luò)就緒設(shè)備，他們希望嘗試延長(zhǎng)存儲(chǔ)時(shí)間，增加量子點(diǎn)和原子節(jié)點(diǎn)之間的重疊，并縮小系統(tǒng)的大小。他們還需要用糾纏光子測(cè)試他們的系統(tǒng)。

就目前而言，它仍然是一個(gè)脆弱的線索，但有一天我們可以看到這項(xiàng)技術(shù)或類似的東西在一個(gè)微妙而穩(wěn)定的量子網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)中覆蓋世界。

該研究已發(fā)表在科學(xué)進(jìn)展.

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