與傳統計算機中的記憶體一樣，量子記憶體組件對量子計算機也是必不可少的——新一代數據處理器利用量子力學，能夠克服經典計算機的限制。量子計算機憑借其強大的計算能力，可以突破基礎科學的邊界，創造新藥，解釋宇宙之謎，或提高預測和優化計劃的準確性。由於信息是用量子位來計算的，量子計算機有望比傳統計算機更快、更強大。與經典計算機不同的是，量子位可以表示同時處於超常狀態的0和1，光量子記憶體允許存儲和檢索飛行的單光子量子態。
然而，生產如此高效的量子記憶體仍然是一個主要挑戰，因為它需要一個完美匹配的光子-物質量子接口。同時，單個光子的能量太弱，容易在雜散光背景的噪聲海洋中丟失。在很長一段時間內，這些問題將量子記憶體效率抑製在50%以下——這是一個對實際應用至關重要的閾值。目前，由中國香港科技大學杜勝旺教授、華南理工大學張山超教授、華南理工大學顏輝教授、華南理工大學朱士良教授和南京大學共同領導的研究小組首次發現了一種方法，可以將光子量子記憶體的效率提高到85%以上，保真度超過99%。
該團隊通過將數十億銣原子捕獲在一個微小的毛髮狀空間中，從而創造了這樣一種量子記憶體。利用雷射和磁場，這些原子被冷卻到接近絕對零度(約0.00001 K)。研究小組還發現了一種聰明的方法，可以從嘈雜的背景光中分辨出單個光子。這一發現使通用量子計算機的夢想更接近現實。這種量子存儲設備也可以作為中繼器部署在量子網絡中，為新一代基於量子的互聯網奠定基礎。杜教授說：在這項研究中，我們將一個飛行的量子位元編碼到單個光子偏振上，並將其存儲在雷射冷卻的原子中。
雖然在這項研究中展示的量子記憶體隻用於一個量子位運算，但它為未來新興的量子技術和工程打開了可能性。這一發現作為權威期刊《自然光子學》(Nature Photonics)的封面文章發表，這是杜教授量子記憶實驗室2011年開始的一系列研究的最新成果。量子記憶體是實現遠距離量子通信和大規模量子計算的關鍵接口，用於存儲和檢索飛行光子的量子態。
雖然許多實驗方案都證明了在弱相乾光脈衝下具有很高的存儲和檢索效率，但到目前為止，所有真正的單光子量子記憶體效率都遠低於50%，這是實際應用的閾值。本研究的該記憶體基於雷射冷卻銣原子中平衡的雙通道電磁誘導透明，效率為>85%，保真度為>99%。對於單通道量子記憶體，單光子時間波形的優化存儲和檢索效率可高達90.6%。這一結果使光子量子記憶體更接近於量子信息處理的實際應用。
博科園-科學科普｜研究/來自: 中國香港科技大學
參考期刊文獻:《Nature Photonics》
DOI: 10.1038/s41566-019-0368-8
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