量子|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 。
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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》 。
【量子|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】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 。
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