首页 > 资讯 > 消息正文

光量子存储器缩小至纳米尺寸

发布:HPLSElaser    |    2017-09-19 14:16    阅读:979
分享:
      


用于制造量子存储器的光学共振腔在电子显微镜下的图像。腔体内每一段的垂直尺寸均为690nm。图片来源:Tian Zhong等/ Science。

美国物理学家已经公布了一种可与芯片上其他部件集成的新型光学量子存储器。该设备帮助研究人员在制造光量子计算机时有效地捕获亚微米级结构光子。

无论是发送永远不会被窃听到的信息,还是在连接在“量子互联网”中的量子计算机,量子信息的交换功能对于未来技术的发展都至关重要。然而,若没有能够储存量子态并在需要时释放它们的量子存储器,这一切都是天方夜谭。

在如今的互联网中,信息通过分布式系列节点,即路由器在计算机之间传输。加州理工大学的Andrei Faraon表明:“信息数据包将被储存一段时间,然后发送出去,且这段时间是能够被控制的。”使用光子携带量子信息的光学网络可能需要类似的节点来储存单个光子完整的量子态信息(量子位),而不是包含0和1的数码串(比特)。

目前存在几种不同的量子存储器——其中一些储存量子位作为原子集合中的集体激发,另一些则使用固态晶体。在第二种存储器中,掺杂稀有金属离子的晶体已被证明能够实现量子存储,因为稀土离子能够与光子耦合并保存其量子态急剧且稳定的电子跃迁。

增强相互作用

目前,Faraon和他的同事们已使用掺钕钇原钒酸盐(用于固态激光器的结晶材料)制作出体积仅为0.056 〖μm〗^3的光学谐振腔。这种谐振腔能够极大地增强单个光子与物质之间的相互作用。Faraon解释道:“原子能够在极小的体积中俘获光子使得我们能够制造出如此微小的设备。”

将腔体冷却至480 mK后,该团队将其耦合至一种由激光器作为光源的光纤中。当一系列的光脉冲对发射至腔体内时,研究人员们在约75ns后接收到反射光。存储器的保真度(以正确量子态反射的光子的比例)为96.8%,与同种类型最先进的量子存储器一致。然而,存储器的效率(所有反射的光子的比例)仅为2.5%。Faraon认为其为如何提高效率提供了明确的方向。

为了控制释放存储脉冲的时间,研究人员使用与腔体频率产生轻微偏共振的第二组激光脉冲。这些脉冲通过斯塔克效应将压缩腔体中的能级间隔。研究人员发现,这会导致光子释放时间的轻微延迟。当研究人员增加这些“斯塔克脉冲”(Stark pulses)的强度时,延迟增加到了最大值,约为10ns。

快速准备

除了能够节约材料与空间,纳米光子存储器具有优于其他同等功能设备的优点。例如,在光子允许通过空腔之前,钕自旋必须使用重复的激光脉冲进行极化。Faraon声称:“这些准备步骤所需的时间比起其他设备的要更短。”

巴塞罗那光子科学研究所的Margherita Mazzera认为这项工作的影响“极其重要”,她补充道:“这项工作中出现了几个创新点,但最重要的是,这是第一次在单个光子水平上验证纳米光子稀土系统的存储容量。”

然而,Margherita Mazzera建议在系统能够用作实际量子存储器之前,应当将效率提高至90%,同时存储时间也需要大幅度提高,以及引入光子的按需释放。她认为实现按需读取的常用协议是研究人员尚未实现的“非常困难的一步”。她将使用斯塔克脉冲实现光子延迟释放称为“中期解决方案”。

基础科学

日内瓦大学的Nicolas Gisin表示,这项工作“非常重要,同时也非常专业”,并且认为在设备能够制作出有效的量子存储器之前还有很多工作需要完善。不过,他表示由斯塔克效应形成的释放延迟在基础科学方面是该项目中最重要的特色。Nicolas Gisin声称:“我认为阻碍光子的运动、决定其反射的时间以及使光子在量子态完好无缺的情况下返回是非常有趣的。”

该研究发表于《科学》杂志。

来源: http://physicsworld.com/cws/article/news/2017/sep/04/optical-quantum-memory-shrinks-to-the-nanoscale

本文已获授权,侵权必究,享有该文的专有出版权,其他出版单位或网站如需转载,请与本站联系,联系email:mail@opticsjournal.net。否则,本站将保留进一步采取法律手段的权利。

免责声明

网站内容来源于互联网、原创,由网络编辑负责审查,目的在于传递信息,提供专业服务,不代表本网站及新媒体平台赞同其观点和对其真实性负责。如因内容、版权问题存在异议的,请在20个工作日内与我们取得联系,联系方式:021-69918579。网站及新媒体平台将加强监控与审核,一旦发现违反规定的内容,按国家法规处理,处理时间不超过24小时。