光子量子位的长期储存研究新进展

马克斯·普朗克量子光学研究所（MPQ）的科学家们实现了光子量子位的长存储时间，这打破了全局量子网络中直接传输的下限。 %n<.)R  
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关于用于实现全球量子网络的量子存储器的发展，由马克斯·普朗克量子光学研究所（MPQ）的Gerhard Rempe教授领导的量子动力学部门的科学家们现在取得了重大突破：他们展示了长寿命的存储在光学谐振器中捕获的单个原子上的光子量子位。存储的量子位的相干时间超过100毫秒，因此与创建全局量子网络的要求相匹配，其中量子位在终端节点之间直接传送。 Rempe教授表示：“与目前的最新技术相比，我们所取得的相干时间代表了两个数量级的提高。” .0H!B#9  
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光是在单光子上编码的量子信息的理想载体，但是由于损耗失，长距离传输效率低且不可靠。可以利用网络终端节点之间的直接传输来防止丢失宝贵的量子位。首先，必须在节点之间建立远程纠缠；然后，发送方的适当测量将触发“远处的幽灵行为”，即将量子位瞬时传送到接收方节点。然而，量子位在到达接收器时可能会旋转，因此必须被还原。为此，必须将信息从发送者传送到接收者。这需要一定的时间，在此期间，量子位必须保存在接收器处。考虑到地球上最远的两个网络节点，这相当于一个66毫秒的时间跨度。 *d/,Y-tl  
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2011年，Rempe教授的研究小组展示了一种成功将光子量子位存储在单个原子上的技术。原子被放置在由两个高精度反射镜形成的光学腔的中央，并且通过光波保持在原处。携带两个极化状态的相干叠加的量子位的单个光子一旦被发送到谐振腔中就开始强烈地与单个原子相互作用。最终，光子被原子吸收，量子位转换成两个原子状态的相干叠加。挑战在于尽可能长时间保持原子叠加状态。在以前的实验中，存储时间被限制在几百微秒内。 AX
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“存储量子位的主要问题是零相位化现象，”实验的博士候选人斯特凡·兰根菲尔德（StefanLangenfeld）解释说，“量子位的特征是相干叠加的原子态的波函数的相对相位，不幸的是，在现实世界的实验中，这种相位关系随着时间的推移而丢失，主要是由于与周围环境磁场波动的相互作用。 nbM7 >tnsk  
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在他们目前的实验中，科学家们采取了新的措施来抵消这些波动的影响。一旦信息从光子转移到原子，一个原子状态的总体就被连贯地转移到另一个状态。这是通过使用一对激光束来引起拉曼转变来完成的。在这种新的配置中，存储的量子位对磁场波动的敏感度是500倍。 5q>u]n9]  
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在检索存储的光子量子位之前，拉曼过渡是相反的。对于10毫秒的存储时间，所存储的光子与检索到的光子的重叠约为90％。这意味着仅仅把原子量子位转移到一个不太敏感的状态结构上就可以将相干时间延长10倍。通过在实验序列中增加一个所谓的“自旋回波”来获得10的另一个因子。在这里，用于存储的两个原子状态的总体在存储时间的中间被交换。实验的博士候选人MatthiasKörber说：“这项新技术使我们能够保存存储位的量子特性超过100毫秒。虽然量子信息安全可靠传输的设想全球量子网络仍然需要大量的研究，量子位长期存储是关键技术之一，我们相信，目前的改进将使我们更接近实现迈出了一大步。” 9'S~zG%{  
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  原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2017/12/171212141746.htm（实验帮译）