研究人员在晶体中实现了电信波长纠缠光子的量子存储

量子技术目前正在以惊人的速度成熟。这些技术在适当设计的系统中利用了量子力学原理，具有光明的前景，例如提高计算效率或通信安全性，远远超出基于当今“经典”技术的设备所能达到的水平。

然而，与经典设备一样，为了充分发挥其潜力，量子设备必须联网。原则上，这可以使用传统电信所使用的光纤网络来完成。但实际实施要求量子系统中编码的信息能够以电信网络使用的频率可靠地存储——这一能力尚未得到充分证明。

南京大学马晓松教授团队在《自然通讯》杂志上发表文章，报告了在一个可以部署在扩展网络中的平台上，在电信波长上实现了创纪录的长时间量子存储，为实用的大规模量子网络铺平了道路。

互联网的物理结构是由光纤编织而成的。构成这些巨大网络的玻璃纤维是出了名的纯净。一个常见的例子是，透过这种玻璃制成的一公里厚的窗户，你可以清楚地看到东西。尽管如此，一些损失是不可避免的，一旦距离超过几百公里，通过电信网络传输的光信号就需要定期“刷新”。

对于经典信号，存在基于重复信号放大的成熟且常规使用的技术。然而，不幸的是，对于光的量子态，这些常规使用的方法并不适用。

为什么“量子光”不同?使量子技术如此强大的一个关键因素是量子纠缠，在这种状态下，两个或多个光量子(或光子)之间共享比经典光更强的相关性。在传统的光信号再生中，光信号被转换成电信号，电信号在被转换回光脉冲之前被放大。

然而，在这样的过程中，纠缠光子将失去其最重要的量子相关性。其他传统方法也会出现同样的问题。

解决方案是使用所谓的量子中继器。简而言之，量子中继器存储脆弱的纠缠态，并将其转换为与下一个节点共享纠缠的另一个量子态。换句话说，节点不是放大信号，而是“缝合在一起”，利用它们独特的量子特性。这种量子中继器网络的核心是可以存储光的量子态的量子存储器。

实现具有足够长存储时间的这些存储器是一项艰巨的挑战，特别是对于电信波长(即1.5µm左右)的光子而言。

因此，姜明浩、薛文一和马晓松团队的同事们现在报告了两个电信光子纠缠态的存储和检索，存储时间接近两微秒，这令人兴奋不已。这比该领域之前演示的时间长了近400倍，因此是迈向实用设备的决定性一步。

江、雪等人开发的记忆。基于掺杂稀土元素铒离子的原硅酸钇(Y2SiO5)晶体。这些离子的光学特性几乎完美适用于现有光纤网络，与1.5μm左右的波长相匹配。

铒离子对于量子存储的适用性多年来已为人所知，而且它们嵌入晶体中的事实使它们对于大规模应用特别有吸引力。然而，迄今为止，基于铒离子的量子存储器的实际实现被证明效率相对较低，阻碍了量子中继器的进一步进展。

Ma的团队现在在完善技术方面取得了重大进展，并表明即使在将光子存储1936纳秒后，光子对的纠缠仍然保留。这意味着在此期间可以操纵量子态，正如量子中继器所要求的那样。此外，研究人员将他们的量子存储器与集成芯片上的新型纠缠光子源结合起来。

这种在电信频率下生成高质量纠缠光子并存储纠缠态的能力，全部都在适合低成本大规模生产的固态平台上，令人兴奋，因为它建立了一个有前途的构建块，可以与现有技术相结合大规模光纤网络，从而实现未来的量子互联网。