存儲單光子的新型量子存儲器：簡單快速！

導讀

最近，瑞士巴塞爾大學開發了一種可以存儲光子的存儲設備。這些量子粒子以光速傳輸，特別適合高速數據傳輸。這種存儲技術簡單快速，有望應用於未來的量子網路。

關鍵字

量子、存儲、光學

背景

如今，大多數通信網路中的高速數據傳輸採用的仍然是光的短脈衝。超寬頻技術使用的是光纖鏈路，信息能夠以光速通過光纖鏈路傳輸。在接收器端，傳輸的信息必須快速無誤地存儲，這樣就可以在計算機上進一步處理。為了避免傳輸錯誤，每一比特的信息都被編碼在相對較強的光脈衝中，每個脈衝至少包含幾百個光子。

最近這些年，全球的研究人員一直致力於通過單光子操作這類網路。每個光子編碼一個比特不僅非常高效，而且也帶來了一種基於量子物理定律的全新信息處理方式。這些定律讓單個光子不僅可以編碼經典比特位的狀態：0和1，還可以編碼這兩個狀態同時的疊加。

筆者曾在《聲子計算機：計算機技術未來發展的新希望！》一文中對於這種狀態進行過介紹，它也被稱為「疊加態」。對此，量子力學的創始人之一、奧地利物理學家薛定諤，有一個很好的比喻：

箱子里有一隻貓，在宏觀世界中它要麼是活的，要麼是死的。但如果在量子世界中，它同時處於生和死兩種狀態的疊加。

另外，多個量子位會「糾纏」形成一個不可分割的整體，也就是說，你操縱了存儲於一個量子位中的信息，相當於操縱了存儲於所有「糾纏」量子位中的信息。

量子計算機正是利用了量子糾纏和疊加原理，其計算能力隨著可操縱的量子位（N）個數的增加，呈指數式（2的N次方）方式增長，這種超高速的並行計算，可以解決過去經典計算機所無法解決的大規模計算問題。

量子比特是量子信息處理的基礎，未來它將帶來無條件的安全通信和超高速的量子計算機。這種從量子存儲器中存儲和檢索單個光子的能力是這些技術的關鍵因素，研究人員正在深入研究它們。

創新

（圖片來源：巴塞爾大學物理系）

最近，瑞士巴塞爾大學開發了一種可以存儲光子的存儲設備。這些量子粒子以光速傳輸，特別適合高速數據傳輸。研究人員將它們存儲在原子蒸氣中，然後再將它們讀出，而且不會太多地改變其量子機械特性。這種存儲技術簡單快速，有望應用於未來的量子網路。開發這種量子網路是瑞士國家量子科學技術中心（NCCR QSIT）與這項研究的贊助者歐盟研究與創新框架計劃的目標之一。

相關研究成果發表於《物理評論快報》（Physical Review Letters）期刊。

技術

（圖片來源：參考資料【2】）

巴塞爾大學的教授 Philipp Treutlein 和 Richard Warburto 領導的物理學家團隊開發出一種特別簡單快速的量子存儲器，它可在銣原子氣體中存儲光子。他們使用激光器控制存儲和檢索過程。這項技術不需要冷卻設備或者複雜的真空設備，能夠以一種高度緊湊方式實現。研究人員也能證明存儲器具有非常低的噪音水平，而且適用於單個光子。

價值

論文的第一作者 Janik Wolters 表示：

「簡單的裝備、高帶寬、低噪音這些非常有利於未來量子網路領域的應用。」

未來，量子網路將帶來無條件地安全通信、不同量子計算機組成的網路、和複雜的物理、化學、生物系統的模擬。

參考資料

【1】https://www.unibas.ch/en/News-Events/News/Uni-Research/High-speed-Quantum-Memory-for-Photons.html

【2】Janik Wolters, Gianni Buser, Andrew Horsley, Lucas Béguin, Andreas J?ckel, Jan-Philipp Jahn, Richard J. Warburton, Philipp Treutlein.Simple Atomic Quantum Memory Suitable for Semiconductor Quantum Dot Single Photons. Physical Review Letters, 2017; 119 (6) DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.060502

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！