量子记忆存储与检索时间创新纪录

本报讯(记者刘霞)物理学家将量子信息存储到非常冰冷的原子缠结中，并大幅提高了从中检索的时间。虽然提高的时间只有短短几毫秒，但在光学网络中，该时间足够将数据从一个量子中继器传输到另一个，这使科学家朝量子网络的制造迈出了意义重大的一步。该研究成果发表在最新出版的《自然•物理》杂志上。

　　这个新的纪录———铷原子存储到偶极光学陷阱的时间为7毫秒，而以前的存储时间纪录是32微秒。美国佐治亚理工学院的亚历克斯•库兹米奇说：“这是真正有意义的一步，因为从概念上讲，它为长距离的量子网络服务提供了更长的存储时间。对于具有许多存储元件的多重体系来讲，几毫秒将允许光的运动穿过一千公里。”扩充存储时间的关键包括使用一维的光晶格将原子“圈起来”，并选择一个不受磁效应影响的原子相位。

　　量子互联网的目的是分配“缠结”的量子位———两个距离很远、有相互关系的数据位，代表“0”或者“1”。所谓“缠结”是指具有交互作用的粒子之间的神奇连接，即使粒子位于宇宙空间的两边，这种连接都能以极快的速度连接，量子位像光子一样在光纤网络中旅行。

　　因为在组成网络的光纤中会失去一部分，所以必须等距离地安装中继器来提高信号，通常是100公里一个。这些中继器需要量子记忆来接收光子信号并简单存储，接着产生一个光子信号，携带信息到下一个节点，最后到达目的地。

　　为了达成量子记忆，研究人员使用一个铷87原子系综，并将其冷冻到绝对零度以使原子的活动最小。为了存储信息，该原子系综被暴露于携带信号的激光之下，允许每一个原子作为“集体激发”的一部分参与存储。

　　简单来说，每一个原子“看见”了前来的信号———一个快速摆动的电磁场，就会刻下相位信息，该相位信息之后就能被“读”到。尽管非常冰冷，系综原子可在任意方向自由移动。因为每一个原子存储量子信息的一部分，且数据的有用性依赖每个原子参照其他原子的位置，原子大量的运动可能会破坏信息。

　　物理学家斯图尔特•杰肯斯说，达成长时间量子记忆的挑战是尽可能长时间地维持相位。为了扩展系综原子的记忆时间，研究人员采用了两种方法。

　　第一种方法是使用一个由激光柱组成的光晶格将原子圈起来，通过选择激光频率，原子就被吸引到晶格内特定的区域，但它们又不会被紧紧地捆绑在一个地方，因为系综原子受磁性等环境条件影响。第二个策略是使用已被推到对磁场不那么敏感的“时钟转移状态”的原子。

　　库兹米奇称，尽管这个实验明显地改进了量子记忆，实际的量子网络可能至少还需要10年的时间。