哈佛剑桥联袂打造可调钻石弦量子互联网迈出重要一步学术资讯

▲如果用电极来拉伸钻石弦，能增加原子振动频率，而由于电子对振动频率很敏感，从而能增强电子的感应，就像拧紧一把吉他的琴弦可以增加其振动频率或提升其音调一样。

虽然未来的量子互联网可以保证通信的安全，但使用量子位（qubit）来携带传输信息需要一款全新的硬件设备——量子存储器。这种在原子层面运行的设备所存储的是量子信息，它是将信息转化为光波从而进行网络传输的。这一应用前景所面临的主要挑战之一是，量子位对周遭环境极其敏感，甚至附近原子的振动都会破坏它们储存记忆信息的能力。到目前为止，研究人员一直依靠极低温度来控制平息原子的振动，但如果要对大规模量子网络进行降温，代价将非常昂贵。

据《自然?通讯》5月22日刊发的一篇论文称，美国哈佛大学约翰?A?保尔森工程与应用科学学院（SEAS）和英国剑桥大学的研究人员已经开发出了一种量子记忆储存的解决方案，让人惊喜的是，该方法就像给吉他调弦一样简单。

据该论文介绍，研究人员设计了一种可以用来调节稳定量子位周围环境的钻石弦，并将记忆储存时长从几十纳秒提高到几百纳秒，这意味着他们将有足够的时间在量子芯片上进行许多操作。该研究论文的资深作者、SEAS电气工程教授马尔科?隆查尔（Marko Loncar）介绍道：“钻石中的杂质已经成为打造量子网络过程中富有希望的技术转折点。然而，它们并不完美——某些类型的杂质非常善于储存信息，但很难进行信息传输，其它一些杂质则是很好的传输材质，却在储存信息时会有遗漏和缺失。在该项研究中，我们采用了后一类杂质，然后将其记忆储存性能提升了10倍。”

钻石中的杂质被称为硅缺位有色中心（silicon-vacancy color center），其本身就是强大的量子位。一个被困在中心的电子就好似一块记忆体，可以发射出单个的红光光子，从而让其可以成为量子互联网的远程信息载体。然而，在钻石晶体附近原子无规律振动的影响下，中心的电子很快就会“忘记”它被要求记住的任何量子信息。

为了改善嘈杂环境中量子位的记忆储存性能，研究人员将包含有色中心的钻石晶体切成一条约为1微米宽（比一缕头发丝还细100倍）的细线，并将其两端连接到电极上，然后对这根钻石弦施加一个电压，它随即被拉伸，振动频率也随之提高，而对频率非常敏感的电子的感应也得到增强，就犹如拧紧一把吉他的琴弦可以增加弦的频率或者提高它的音调一样。

该论文的第一合著者、SEAS的研究生斯鲁彦?米萨拉（Srujan Meesala）解释道：“通过收紧弦上的张力，我们增加了振动的能量水平，因为电子对这一变化非常敏感，从而提高了其感应能力阈值，这意味着它现在只能感应到非常高能的振动。这一过程有效地将晶体内部周遭的振动转化为无关紧要的背景噪声，使得缺位内的电子能够轻松地将其容纳信息的时长持续数百纳秒，而这在量子尺度上算是很长的时间了。一系列该类可调钻石弦的相互配合与联合运作或成为打造未来量子互联网的技术核心。”

在接下来的研究中，研究人员希望将量子位的记忆时长延长至毫秒尺度，这将使量子芯片完成成百上千次的操作以及实现长距离量子通信。

科界原创

编译：Jonathan 审稿：三水编辑：程建兰

来源：https://phys.org/news/2018-05-tunable-diamond-key-quantum-memory.html