寿命超过2秒并集成错误检测的可扩展量子存储器

量子存储设备可以将数据存储为量子状态而不是二进制状态，就像经典计算机存储器所做的那样。虽然一些现有的量子存储技术已经取得了非常有前途的成果，但在大规模实施之前还需要克服一些挑战。

AWS量子网络中心和哈佛大学的研究人员最近开发了一种很有前途的量子存储器，它能够进行错误检测，并且寿命或相干时间(即量子存储器可以保持叠加而不崩溃的时间)超过2秒。这种记忆在《科学》杂志的一篇论文中提出，可以为创建可扩展的量子网络铺平道路。

量子网络是可以将纠缠的量子比特或量子比特分配给不同地理位置的用户的系统。在通过网络时，量子位通常被编码为光子(即单个光粒子)。

AWS的量子研究科学家DavidLevonian告诉Phys.org：“这些量子位需要被路由和处理，既要将它们分发给不同的用户，又要克服光纤传输损耗造成的距离限制。”“量子存储器是一种小型量子计算机，可以捕获和存储以光子编码的量子位，而无需对其进行测量，因为测量它们会破坏它们所具有的任何纠缠。如果需要，可以对存储的量子位进行处理并重新编码为光子。“

到目前为止，物理学家和工程师已经提出了几种不同的系统，可以充当量子存储器，从而实现量子网络，例如嵌入玻璃中的稀释原子气体和稀土离子。Levonian和他的同事创建的系统依赖于所谓的硅空位中心(SiV)。这些是由嵌入金刚石晶体中的单个硅原子周围的电子组成的量子位。

“我们为光子建立了指南，可以将它们集中在我们的SiV附近，并促进光与电子的相互作用，”Levonian说。“归根结底，我们的系统类似于传输大多数互联网流量的光调制器。与光调制器一样，我们的量子存储器是根据它们是‘开’还是‘关’来传输或反射光的开关。”与普通调制器不同，我们的调制器由单个电子而不是大电信号打开和​​关闭，并且可以处于打开和关闭的量子叠加状态。”

研究人员的研究有两个主要目标。第一个是探索使用单个原子核的磁场作为具有更长寿命的量子存储器(即可以更长时间地存储信息)的可能性。第二个是创建可以在更高温度下运行的量子存储器。

“我们研究的第一个目标是我们固态量子存储器子领域的共同目标，”Levonian说。“基本上，电子自旋对于与光子相互作用非常方便，但对磁场和电场也很敏感。这种敏感性降低了它们的相干时间，这促使研究人员寻找将量子信息从电子转移到更惰性核自旋的方法。在在我们的论文中，我们着眼于将量子信息转移到形成SiV的硅原子的自旋上。”

为了实现他们的第二个目标，即在比目前报道的温度更高的温度下运行他们的量子存储器，研究人员必须设计策略来降低他们的SiV对声子(即金刚石晶格中的热振动)的敏感性，因为声子可以扰乱编码在SiV中的量子位。过去的物理学研究预测，挤压或“应变”晶体中的SiV对声子的敏感性应该较低。

先前的实验也证实了这一预测，利用基于非结构化金刚石的挤压SiV。Levonian和他的同事希望在他们基于SiV的量子存储器中重现这种先前报道的效应。

“最后，我们能够实现我们的两个目标——我们能够在4开尔文度下捕获和存储光子，而不是之前实验操作的0.1度，并且我们能够从光子中获取信息我们已经存储在电子上，将其交换到硅核上并将其存储时间延长约1,000倍，”Levonian说。“在可能的量子存储器领域，我们的技术代表了许多轴上的快乐媒介。”

这组研究人员创建的量子存储器可以“保持”一个量子位几毫秒，这是一个相对较长的相干时间，尽管不是迄今为止文献报道的最长时间。同样，它可以在99%的时间内无误地处理本地量子信息，这比许多平台要好，但比最好的平台差。

“我们的记忆真正闪耀的地方在于它收集和存储光子的效率——目前约为50%，并且很快会提高更多，”Levonian解释道。“另一个重要特征是它是一种‘先驱’量子存储器——它在捕获光子时发出信号。这最终对于设计高效的量子网络至关重要。”

虽然新的量子存储器能够在4开尔文而不是0.1开尔文(如先前提出的设备)下运行的能力似乎不是向前迈出的一大步，但它可能对未来量子网络的大规模实施产生重大影响。事实上，可以将温度降至4开尔文的低温冰箱比将物体冷却至0.1K的冰箱便宜约5倍，体积小10倍，而且还可以放入服务器机架中。

“达到0.1开尔文需要稀释冰箱(读者可能已经在量子计算文章中看到的‘金色吊灯’)，以及相对稀有且昂贵的氦3同位素，”Levonian补充道。“我们在这项研究中的成功部分来自运气，因为我们发现我们的一个设备在我们的制造过程中变得非常紧张，这让我们测试了它赋予SiV的温度弹性。利用我们的发现来构建商业设备，我们需要找到一种方法来100%地制造应变SiV，这是我们正在积极努力的事情。”