2021 年 6 月 25 日,丹麦哥本哈根,哥本哈根大学的研究人员展示了一种在室温下存储量子比特的方法,其持续时间比以前的方法长数百倍。


该方法采用了一种在量子芯片内进行量子测量的新方法,该芯片涂有石蜡以消除对大型且通常更昂贵的冷却系统的需要。由 Eugene Polzik 领导的研究团队之前曾使用石蜡进行室温实验,例如量子测量和隐形传态——与其他团队一样。


绝对牛逼!在量子芯片内进行量子测量的新方法来了


在早期的量子存储器方法中,量子态被编码在原子传输/发射的光的振幅和相位中。通过零差检测连续测量光的幅度和相位。


“这使得量子记忆和具有所谓连续变量的隐形传态成为可能,例如,相干或压缩状态,”Polzik 说。


当前的实验改为使用“点击型”光子计数器,这带来了一个新的挑战——原子运动。


在过去,当使用原子云来存储单个光子时,它是在液态氦温度下使用固态固定原子或在激光冷却的原子气体中完成的。


当使用室温原子时,原子以 200 m/s 的速度在芯片内移动,每微秒都会与芯片壁发生碰撞。为了缓解这种情况,该团队采用了石蜡涂层,这是一种用于软化原子碰撞的蜡状物质。如果没有涂层,碰撞会破坏原子的量子自旋状态。


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“这导致它们发射出彼此非常不同的光子。但我们需要它们完全相同,以便将来使用它们进行安全通信,”Polzik 说。


为了使涂层起作用,它必须保持在 20 至 50 °C 内。该范围内的特定温度取决于原子蒸气的最佳密度。Polzik 说,如果温度太高,涂层会熔化并失去其保护性能。


在之前对室温下的原子进行的实验中,记忆仅限于原子进出激光束所需的时间——大约一微秒。


“使我们能够克服这个时间限制的突破来自所谓的运动平均,在量子力学语言中,这是基本的‘擦除哪条路信息’原则,”Polzik 说。


“哪条路信息”指的是量子橡皮擦实验,该实验确定当采取行动确定光子穿过两条路径中的哪一条时,光子不会干扰自身。因此,量子干涉的条件是缺少“哪条路信息”。


“在我们的设置中,‘哪条路信息’对应于这样一种说法,即当检测到一个预示光子时,它是由原子的某种空间配置发射的,”Polzik 说:“就好像光电探测器的咔嗒声对点击时原子的位置进行了‘快照’。如果我们希望在一段时间后从原子记忆中检索光子,这种检索将非常低效,因为原子会改变它们的空间配置,并且集体增强将丢失。”


一种解决方案涉及现有原理和过滤腔。


“为了克服这种‘哪条路’或‘哪条原子信息’的问题,我们使用了运动平均原理:预告光子被窄带滤波腔延迟,”Polzik 说:“平均而言,延迟时间(几十微秒)比原子进出激光束所需的时间长得多。通过这种方式,所有原子都以相同的方式对光子的检测做出贡献,因此单个光子一起存储在所有原子中,因为协议需要集体增强记忆。”


Polzik 表示,这项技术需要进一步发展才能找到实际应用;内存时间需要增加大约 10 倍。


“现在我们以低速率产生光量子比特——每秒一个光子,而冷却系统可以在相同的时间内产生数百万个光子,”Polzik 说:“但我们相信这项新技术具有重要优势,我们可以克服这一挑战。”


该研究发表在Nature Communications 上。



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