導讀
最近， 德國馬克斯普朗克量子光學研究所的科學家們實現了可長時間存儲的光量子位元。 存儲的量子位元的相干時間超過100毫秒， 進而可以滿足創建全球量子網路的需求。
背景
在科幻小說、電影、遊戲中， 我們往往會看到對於“超時空傳輸”的描述：一個物體在一個地方消失， 而瞬間又在另外一個地方出現。
與超時空傳輸的概念相似， 量子隱形傳態（Quantum teleportation）， 正是一種利用分散量子纏結與一些物理訊息的轉換， 將量子態傳送至任意距離的位置的技術。 它代表著一種全新的通信方式。 它傳輸的不再是經典資訊而是量子態攜帶的量子資訊。
創新
最近， 馬克斯普朗克量子光學研究所（MPQ ）科學家們實現了可長時間存儲的光量子位元， 它突破了全球量子網路中進行直接隱形傳態所受到的限制。
為了開發量子記憶體實現全球量子網路， 最近馬克斯普朗克量子光學研究所教授 Gerhard Rempe 領導的量子動力學小組的科學家們實現了一項重要突破：他們演示了一種囚禁於光學共振器中的單個原子， 實現長時間存儲的光量子位元。 存儲的量子位元的相干時間超過100毫秒， 因此可以滿足創建全球量子網路的需求。 在這種全球量子網路中，
技術
光是編碼於單個光子的量子資訊的理想載體， 但是由於損耗， 長距離的傳輸是低效且不可靠的。 在網路端節點之間的直接隱形傳態， 可用於防止之前的量子位損耗。 首先， 必須在節點之間創建遠端糾纏；然後， 在發送端進行恰當的測量將觸發“幽靈般的超距離作用”， 例如向接收節點暫態傳輸量子位。 然而， 當量子位到達接收端時， 會發生旋轉， 因此必須恢復原狀。 為此， 在發送端和接收端之間， 必要資訊必須通過經典方式傳輸。 這將耗費一定時間， 在這段時間中， 量子位必須保存於接收端。 考慮到處於地球上相距最遠的兩個地方的兩個網路節點， 對應的時間間隔應該需要達到約66毫秒。
2011年， Rempe 教授的小組成功展示了一項在單個原子上存儲光量子位元的技術。 原子處於光學腔中心， 光學腔則由兩面高精鏡在適當位置發出光波製造出來。 單個光子在兩個偏振態的相干疊加中攜帶量子位， 一旦它發送至諧振器， 就會開始與單個原子產生強烈交互。 最終， 光子被原子吸收， 量子位傳輸進兩個原子態的相干疊加中。 而挑戰在於盡可能長時間地保持原子疊加。 在之前的實驗中， 存儲時間的極限是幾百微秒。
博士生 Stefan Langenfeld 表示， 存儲量子位元的主要問題在於退相干現象。 量子位元的特性是原子態波函數的相對相位， 這種原子態是相干疊加的。 不幸地的是， 在真實世界的實驗中， 由於周圍環境磁場的起伏不定，
在取回存儲的量子位元之前， 拉曼躍遷會發生反轉。 對於10毫秒的存儲時間， 存儲的光子和取回的光子的重疊部分達到90%。 這意味著， 原子量子位輕微地轉移到一個不太敏感的狀態配置， 將相干時間延長了1/10。 另外1/10通過在實驗序列中添加所謂的“自旋回聲”來實現。 在存儲時間中期， 用於存儲的兩個原子狀態會發生交換。
價值
Rempe 教授表示， 他們實現的相干時間相對于現有的尖端技術，
博士生 Matthias Körber 表示， 新技術讓他們保持存儲比特的量子特性的時間超過100毫秒。 儘管為了可進行安全和可信賴的量子傳輸， 理想的量子網路仍然需要經過許多研究才能建成， 但是量子位元的長時間存儲是一項關鍵性技術， 他們目前的改善對於理想量子資訊網路的實現， 是關鍵性的一步。
關鍵字
量子、量子電腦、量子位元
參考資料
【1】http://www.mpq.mpg.de/5590105/17_12_12
【2】M. Körber, O. Morin, S. Langenfeld, A. Neuzner, S. Ritter, G. Rempe. Decoherence-protected memory for a single-photon qubit. Nature Photonics, 2017; DOI: 10.1038/s41566-017-0050-y
更多前沿技術和創新產品， 請關注微信公眾號：IntelligentThings， 或者聯繫作者個人微信：JohnZh1984