德國馬克斯普朗克量子光學研究所的科學家格哈德·瑞普領(lǐng)導的科研小組，首次成功地實現(xiàn)了用單原子存儲量子信息——將單個光子的量子狀態(tài)寫入一個銣原子中，經(jīng)過180微秒后將其讀出。最新突破有望助力科學家設(shè)計出功能強大的量子計算機，并讓其遠距離聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建“量子網(wǎng)絡(luò)”。
量子計算機因其能同時處理用單個原子和光子等微觀物理系統(tǒng)的量子狀態(tài)存儲的很多信息，計算速度更快。但量子計算機進行操作時，其內(nèi)部不同組件之間必須能進行信息交換。因此，科學家希望量子信息能在光子和物質(zhì)粒子之間交換。
此前，科學家實現(xiàn)了光子和數(shù)千個原子集合之間的信息交換，現(xiàn)在首次證明，采用一種可控的方式，量子信息也能在單個原子和光子之間交換。實現(xiàn)光子和單個原子之間信息交換的最大障礙是，光子和原子之間的相互作用太微弱。在最新研究中，科學家將一個銣原子放在一個光學共振器的兩面鏡子間，接著使用非常微弱的激光脈沖讓單光子進入該共振器中。共振器的鏡子將光子前后反射了多次，大大增強了光子和原子之間的相互作用。
研究人員還通過添加一束激光——控制激光（在銣原子同光子相互作用時，直接射向銣原子），讓銣原子吸收一個光子，從而讓銣原子進入一種穩(wěn)定的量子狀態(tài)。且原子自旋會產(chǎn)生磁矩，該磁矩的方向?qū)Q定用來存儲信息的穩(wěn)定的量子狀態(tài)。
這個狀態(tài)可被相反的過程讀出：他們再次使用控制激光照射銣原子，使其重新釋放出剛開始入射的光子。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)情況下，讀出的量子信息同最初存儲的信息一致，也就是所謂的保真度超過90%。而傳統(tǒng)不基于量子效應(yīng)獲取的保真度僅為67%。且量子信息在銣原子內(nèi)的存儲時間約為180微秒，這能與以前基于多個原子方法獲得的量子存儲時間相媲美。
但是量子計算機或量子網(wǎng)絡(luò)所要求的存儲時間要比這更長。另外，受到照射的光子中有多少被存儲接著被讀出——所謂的效率，現(xiàn)在還不到10%。科學家正著力進行研究以改進存儲時間和效率。
研究人員霍爾格·斯派克特表示，使用單個原子作為存儲單元有幾大優(yōu)勢：首先單個原子很小。其次，存儲在原子上的信息能被直接操作，這一點對于量子計算機內(nèi)邏輯操作的執(zhí)行來說非常重要。另外，它還可以核查出光子中的量子信息是否在不破壞量子狀態(tài)的情況下被成功寫入原子中，一旦發(fā)現(xiàn)存儲出錯，就會重復該過程，直到將量子信息寫入原子中。
另一名科學家斯蒂芬·里特表示，單原子量子存儲的前景不可估量。光和單個原子之間的相互作用讓量子計算機內(nèi)的更多原子能相互聯(lián)網(wǎng)，這會大大增強量子計算機的功能。而且，光子之間的信息交換會使原子在長距離內(nèi)實現(xiàn)量子糾纏。因此，科學家們正在研發(fā)的最新技術(shù)有望成為未來“量子網(wǎng)絡(luò)”的必備零件。
