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全球范围远距传输的光子量子比特的长期存储

发布:opticsphotonics    |    2017-12-13 19:19    阅读:878
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量子比特全球传输示意图。援引:Christoph Hohmann,慕尼黑纳米科学研究基地

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,在实现全球量子网络的量子存储器的发展方面取得了重大突破:他们展示了光子量子比特长期存储在光学谐振器捕获的单个原子上。存储的量子比特的相干时间超过了100毫秒,满足了创造全球量子网络的需要,因为在这个网络中量子比特要在端节点之间直接传送。Rempe教授表示:“与目前最先进的技术相比,我们所获得的相干时间比现在的技术水平提高了两个数量级”。这项研究发表在了2017年12月11日的Nature Photonic杂志上。

光是在单光子上量子信息编码的理想载体,但是由于损失太大,长距离传输效率低且不可靠。可以通过利用网络末端节点之间的直接传输来防止宝贵的量子比特的丢失。首先,必须在节点之间建立远程纠缠; 那么在发送端进行适当的测量会触发“幽灵般的超距作用”,即将量子比特瞬时传送到接收节点。然而,量子比特在到达接收器时可能会发生旋转,因此必须恢复它的状态。为此,必要的信息必须以传统的方式从发送器传送到接收器。这需要一定的时间,在此期间,量子比特必须保存在接收器处。如果考虑到地球上最遥远的地方有两个网络节点,相应的时间跨度大约是66毫秒。

在2011年,Rempe教授的研究小组已经成功证明了在单个原子上存储光子量子比特的技术。原子被放置在由两个高精度反射镜构成的光学共振器的中央,并且通过驻波固定。一旦被发送到谐振腔中,携带两个极化态相干叠加的量子比特的单个光子就开始与单个原子强烈地相互作用。最终,光子被原子吸收,量子比特转入相干叠加的两个原子态中。目前的挑战主要是尽可能长时间的维持原子叠加的状态。在以前的实验中,存储时间被限制在几百微秒内。

“存储量子比特的主要问题是移相的现象,”实验的博士研究生Stefan Langenfeld解释说。“量子比特的特征是原子态波函数相对相位的相干叠加。不幸的是,在实际的实验中,由于与周围环境磁场波动的相互作用,这种相位关系会随着时间的推移而丢失。

在他们目前的实验中,科学家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,一个原子态的粒子被相干转移到另一个状态。这是通过使用一对激光束引起拉曼跃迁来完成的。在这种新的配置中,存储的量子比特对磁场波动的敏感度降低了500倍。

在检索存储的光子量子比特之前,拉曼跃迁被反转。对于10毫秒的存储时间,所存储的光子与检索到的光子约有90%的重叠。这意味着仅仅把原子量子比特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。通过在实验步骤中增加一个所谓的“自旋回波”可以获得另一个10倍延长。在这里,用于存储的两个原子状态的粒子数在存储到一半时间时进行交换。实验的博士研究生Matthias K?rber说:“新技术使我们能够将存储的量子比特的特性保持超过100毫秒。虽然预期的全球量子网络要实现安全可靠的传输量子信息仍然需要大量的研究,但量子比特的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预期目标的实现。”

来源: https://phys.org/news/2017-12-long-lived-storage-photonic-qubit-worldwide.html

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