长时间存储的光量子位:助力实现全球量子隐形传态!
发布日期:2019-11-29 16:26   来源:未知   阅读:

  最近,德国马克斯普朗克量子光学研究所的科学家们实现了可长时间存储的光量子位。存储的量子位的相干时间超过100毫秒,进而可以满足创建全球量子网络的需求。

  在科幻小说、电影、游戏中,我们往往会看到对于“超时空传输”的描述:一个物体在一个地方消失,而瞬间又在另外一个地方出现。

  与超时空传输的概念相似,量子隐形传态(Quantum teleportation),正是一种利用分散量子缠结与一些物理讯息的转换,将量子态传送至任意距离的位置的技术。它代表着一种全新的通信方式。它传输的不再是经典信息而是量子态携带的量子信息。在量子纠缠的帮助下,它会将量子态从一处瞬间传输到另外一处,且无需任何载体的帮助。

  最近,马克斯普朗克量子光学研究所(MPQ )科学家们实现了可长时间存储的光量子位,它突破了全球量子网络中进行直接隐形传态所受到的限制。

  为了开发量子存储器实现全球量子网络,最近马克斯普朗克量子光学研究所教授 Gerhard Rempe 领导的量子动力学小组的科学家们实现了一项重要突破:他们演示了一种囚禁于光学共振器中的单个原子,实现长时间存储的光量子位。存储的量子位的相干时间超过100毫秒,因此可以满足创建全球量子网络的需求。在这种全球量子网络中,量子位可以直接在端节点之间隐形传态。

  光是编码于单个光子的量子信息的理想载体,但是由于损耗,长距离的传输是低效且不可靠的。在网络端节点之间的直接隐形传态,可用于防止之前的量子位损耗。首先,必须在节点之间创建远程纠缠;然后,在发送端进行恰当的测量将触发“幽灵般的超距离作用”,例如向接收节点瞬时传输量子位。然而,当量子位到达接收端时,会发生旋转,因此必须恢复原状。为此,在发送端和接收端之间,必要信息必须通过经典方式传输。这将耗费一定时间,在这段时间中,量子位必须保存于接收端。考虑到处于地球上相距最远的两个地方的两个网络节点,对应的时间间隔应该需要达到约66毫秒。

  2011年,Rempe 教授的小组成功展示了一项在单个原子上存储光量子位的技术。原子处于光学腔中心,光学腔则由两面高精镜在适当位置发出光波制造出来。单个光子在两个偏振态的相干叠加中携带量子位,一旦它发送至谐振器,就会开始与单个原子产生强烈交互。最终,光子被原子吸收,量子位传输进两个原子态的相干叠加中。而挑战在于尽可能长时间地保持原子叠加。在之前的实验中,存储时间的极限是几百微秒。

  博士生 Stefan Langenfeld 表示,存储量子位的主要问题在于退相干现象。量子位的特性是原子态波函数的相对相位,这种原子态是相干叠加的。不幸地的是,在真实世界的实验中,由于周围环境磁场的起伏不定,这种相位关系会随着时间推移而消失。一旦信息从光子传输向原子,一个原子状态会相干地转化为另外一个状态。这通常会通过一对激光束引入拉曼跃迁来实现。在这种新配置中,存储的量子位对于磁场波动的敏感度将减少500倍。

  在取回存储的量子位之前,拉曼跃迁会发生反转。对于10毫秒的存储时间,存储的光子和取回的光子的重叠部分达到90%。这意味着,原子量子位轻微地转移到一个不太敏感的状态配置,将相干时间延长了1/10。另外1/10通过在实验序列中添加所谓的“自旋回声”来实现。在存储时间中期,用于存储的两个原子状态会发生交换。

  Rempe 教授表示,他们实现的相干时间相对于现有的尖端技术,提升了两个数量级。

  博士生 Matthias Krber 表示,新技术让他们保持存储比特的量子特性的时间超过100毫秒。尽管为了可进行安全和可信赖的量子传输,理想的量子网络仍然需要经过许多研究才能建成,但是量子位的长时间存储是一项关键性技术,他们目前的改善对于理想量子信息网络的实现,是关键性的一步。

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