镱铸造量子存储新纪元学术资讯

▲稀土晶体用于量子存储。晶体的冷却温度仅比绝对零度高3摄氏度。

量子通讯和量子加密技术是未来提高通信安全的基石之一。然而，在全球范围内建立量子网络还面临着诸多挑战（如长距离传输量子信号等）。其中，最主要的挑战之一是：使存储设备具备储存光携量子信息的性能。《自然材料》7月23日发布的论文有望解决这一难题。瑞士日内瓦大学（UNIGE）和法国国家科学研究中心（CNRS）等的研究人员合作发现，镱在高频条件下也能存储和保护脆弱的量子信息：镱基材料可以作为量子信号远距离传输的中继器。这使得镱成为构建未来量子网络的理想“候选者”。

量子密码学的特点是高度的安全性（不可复制或拦截）。然而，这也使科学家不能放大信号，使其像Wi-Fi网络般长距离传播。因此，科学家们开始研究能使量子存储设备具备中继能力（通过捕获和同步光子），进而长距离传输量子信息的方法。这一设想成功的关键在于寻找制造量子存储器的合适材料。UNIGE理学院应用物理系研究员米卡尔•阿夫泽利乌斯（Mikael Afzelius）解释说：“这项研究的难点在于，新材料需在环境扰动下分离光子传递的量子信息。这样我们才能捕获并同步它们。但是，光子的速度实在太快了！”这意味着研究人员必须挖掘出一种能在高频和强干扰条件下分离量子信息的材料——但通常来说，这两种特性是不可兼得的。

尽管研究人员曾制造了基于铕或镨等稀土元素的量子存储设备原型，但它们的速度还不够快。UNIGE理学院应用物理系教授、ID Quantique公司创始人尼古拉斯•吉辛（Nicolas Gisin）说：“我们将视线转到了之前颇受冷落的镱上，发现它可能是制造量子中继器的理想材料。”UNIGE和CNRS的研究人员发现，镱在置于精密磁场中时，会进入一种不敏感状态，从而切断环境扰动，进而有可能捕获和同步光子。UNIGE理学院应用物理系研究员阿列克谢•蒂拉诺夫(Alexey Tiranov)和基米巴黎研究所研究员菲利普•戈尔德纳(Philippe Goldner)说：“通过改变磁场振幅和方向，我们找到了一个‘神奇的点’——在高频条件下，镱原子此时的相干时间提高了约1000倍！”

目前，研究人员正在制造可以实现快速中继转换的镱基量子存储器。阿夫泽利乌斯认为，这不仅为构建全球化量子网络提供了新的可能性，也说明了应用研究与基础研究并行的重要性。

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编译：雷鑫宇审稿：三水编辑：张梦

来源：https://phys.org/news/2018-07-ytterbium-quantum-memory-tomorrow.html