量子比特存储的新世界纪录

诸平

Fig. 1 Crystal used for storing photonic qubits and illuminated by a laser in a cryostat, an instrument for obtaining cryogenic temperatures.  (c) Antonio Ortu/CC-BY

https://www.myscience.org/news/2022/new_world_record_for_qubit_storage-2022-unige

“我的科学（myscience.org）”网站2022年3月22日报道了量子比特存储的新世界纪录（New world record for qubit storage）。介绍了瑞士日内瓦大学(University of Geneva)的一个团队成功地将一个量子比特存储了20毫秒。这是固态量子存储器从未达到过的持续时间。晶体用于存储光子量子比特，并在低温恒温器中被激光照亮（见图1所示）。

计算机、智能手机、GPS：量子物理学促成了许多技术进步。它现在正在开辟信息编码艺术——密码学（cryptography）的新研究领域，旨在开发超安全的电信网络。然而，有一个障碍：在光纤内走几百公里后，携带量子比特（qubits or ’quantum bits’，信息）的光子消失了。因此，他们需要“中继器”（’repeaters’）， “中继器”就是部分基于量子存储器。日内瓦大学的一个团队通过设法将一个量子比特在晶体（“内存”）中存储20毫秒，创造了世界纪录，并朝着长距离量子电信网络的发展迈出了重要一步。这项研究于2022年3月15日已经在《npj量子信息》（npj Quantum Information）杂志网站发表——Antonio Ortu, Adrian Holzäpfel, Jean Etesse, Mikael Afzelius. Storage of photonic time-bin qubits for up to 20 ms in a rare-earth doped crystal. npj Quantum Information, 2022, 8, Article number: 29. Published: 15 March 2022. DOI: https://doi.org/10.1038/s41534-022-00541-3.https://www.nature.com/articles/s41534-022-00541-3

参与此项研究的除了来自瑞士日内瓦大学（University of Geneva）的研究人员之外，还有来自法国国家科学研究中心尼斯物理研究所（CNRS, Institut de Physique de Nice, France）的研究人员。

在20世纪发展起来的量子物理学使科学家们能够描述原子和粒子的行为以及电磁辐射的某些特性。通过打破经典物理学，这些理论产生了一场真正的革命，并引入了宏观世界中没有等价物的概念，例如叠加，描述了一个粒子同时在多个地方的可能性，或者纠缠，描述了两个粒子的能力即使在远处也会立即相互影响（“远处的幽灵行动”）。

量子理论现在是密码学研究的核心，密码学是一门将信息编码技术结合在一起的学科。当信息（量子比特）通过光纤内的光粒子（光子）在两个对话者之间传输时，量子理论可以保证信息（量子比特）的完美真实性和机密性。叠加现象让发送者立即知道传递信息的光子是否被截获。

记忆的信号（Memorizing the signal）

然而，长距离量子通信系统的发展存在一个主要障碍：超过几百公里，光子丢失，信号消失。由于信号不能被复制或放大——它会失去保证其机密性的量子状态——挑战在于找到一种在不改变信号的情况下重复信号的方法，特别是基于量子存储器创建“中继器”。

2015年，由日内瓦大学理学院应用物理系高级讲师Mikael Afzelius领导的团队，成功地将光子携带的量子比特在晶体中存储了0.5毫秒（“记忆”）。这个过程允许光子在消失之前将其量子态转移到晶体的原子上。然而，这种现象并没有持续足够长的时间来构建更大的记忆网络，而这是发展长距离量子电信的先决条件。

存储记录（Storage record）

今天（2022年3月22日），在欧洲量子旗舰计划（European Quantum Flagship program）的框架内，Mikael Afzelius团队通过将一个量子比特存储20毫秒，成功地显著增加了这一持续时间。“这是基于固态系统的量子存储器的世界纪录，在这种情况下是晶体。我们甚至成功地达到了100毫秒的标记，保真度略有下降”，研究人员兴奋地说道。与他们之前的工作一样，日内瓦大学的科学家们使用了掺杂了某些称为“稀土”（在这种情况下为铕, europium，元素符号：Eu）的金属的晶体，能够吸收光然后重新发射。这些晶体保持在 -273.15 ℃（绝对零度），因为超过该温度10 ℃，晶体的热搅动会破坏原子的纠缠。

“我们对晶体施加了10^-3特斯拉(Tesla)的小磁场，并使用了动态解耦方法（dynamic decoupling methods），其中包括向晶体发送强烈的无线电频率。这些技术的效果是将稀土离子从环境扰动中解耦，并将我们迄今为止已知的存储性能提高近40倍，”日内瓦大学应用物理系博士后研究员安东尼奥·奥尔图（Antonio Ortu）解释说。这一研究成果是远距离量子通信网络发展的重大进展。它们还将光子所携带的量子态存储到一个人类可以估计的时间尺度。

十年高效系统（An efficient system in ten years）

然而，仍有一些挑战需要解决。“现在的挑战是进一步延长存储时间。理论上，增加晶体暴露于无线电频率的持续时间就足够了，但就目前而言，在较长时间内实施它们的技术障碍阻止了我们不会超过100毫秒。但是，可以肯定的是，这些技术难题是可以解决的，”Mikael Afzelius说。

科学家们还必须找到设计存储器的方法，该存储器一次能够存储多个光子，因此具有“纠缠”的光子，这将保证机密性。“我们的目标是开发一个在所有这些方面都表现良好，并且可以在十年内上市的系统，”研究人员总结道。

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Abstract

Long-duration quantum memories for photonic qubits are essential components for achieving long-distance quantum networks and repeaters. The mapping of optical states onto coherent spin-waves in rare earth ensembles is a particularly promising approach to quantum storage. However, it remains challenging to achieve long-duration storage at the quantum level due to read-out noise caused by the required spin-wave manipulation. In this work, we apply dynamical decoupling techniques and a small magnetic field to achieve the storage of six temporal modes for 20, 50, and 100 ms in a ¹⁵¹Eu³⁺:Y₂SiO₅ crystal, based on an atomic frequency comb memory, where each temporal mode contains around one photon on average. The quantum coherence of the memory is verified by storing two time-bin qubits for 20 ms, with an average memory output fidelity of F=(85±2)% for an average number of photons per qubit of μ_in=0.92±0.04. The qubit analysis is done at the read-out of the memory, using a type of composite adiabatic read-out pulse we developed.