量子數據存儲對於量子計算和全球量子互聯網的未來至關重要。當前的量子通信系統面臨長距離信號丟失的問題。這限制了量子信息的傳播距離。量子存儲器通過使量子中繼器成為可能來解決這個問題。它允許數據通過交換障礙跨越網絡而不會丟失。
一項新研究發表於 光：科學與應用 柏林洪堡大學萊布尼茨光子技術研究所的研究人員報告了該領域的重大進展，報告了該領域的重大突破。斯圖加特大學推出了一種新型量子存儲器，由 3D 打印納米結構製成，稱為“光籠”，充滿原子蒸氣。通過將光和原子結合在一個芯片上。該團隊創建了一個專為可擴展性和無縫集成到量子光子系統中而設計的平台。
是什麼讓光籠與眾不同？
光學框架是一個空心波導，旨在緊密引導光線，同時仍允許進入內部空間。與傳統的空心纖維相比，這種設計具有重要的優勢。補充原子蒸氣可能需要幾個月的時間。相反，光籠的開放結構允許銫原子更快地擴散到核心中。這使得填充過程可以縮短至幾天，而不會影響視覺性能。
該結構是使用雙光子聚合光刻和商業 3D 打印系統製造的。該方法使研究人員能夠以極高的精度將復雜的空心波導直接打印到矽芯片上。保護裝置免受與銫的化學反應。然後在波導上塗上一層保護層。測試顯示，即使使用五年後也沒有惡化的跡象。這強調了系統的長期穩定性。
“我們創建了一種引導結構，允許氣體和液體在核心內快速擴散。通過 3D 納米打印工藝實現的多功能性和可重複性使該平台實現了真正的可擴展性。不僅可以在芯片內部製造波導，還可以在芯片之間製造芯片。以相同的效率生產多個芯片，”研究團隊解釋道。
將光轉化為存儲的量子信息
在光籠內，入射光脈衝被有效地轉換成周圍原子的集體激發。在選定的存儲時間後，受控激光器將反轉此過程並在需要時釋放存儲的光。在重要的演示中，研究人員成功地將僅包含幾個光子的非常微弱的光脈衝存儲了數百納秒。他們相信這種方法最終可以擴展到收集單光子。幾毫秒
另一個重要的步驟是將多個光學籠式存儲器集成到放置在銫單元內的單個芯片上。測量結果表明，同一設計的不同光學框架在同一芯片上的兩個獨立設備上提供幾乎相同的存儲性能。這種程度的一致性對於構建可擴展的量子系統至關重要。
強大的重複性來自於3D納米打印工藝的精度。單個芯片內的差異保持在 2 納米以下，而芯片之間的差異保持在 15 納米以下。這種嚴格的控制對於空間復用至關重要。這項技術可以大大增加單個設備上同時運行的量子存儲器的數量。
對量子網絡和計算機的影響
光籠量子存儲器解決了量子技術中幾個長期存在的挑戰。在量子中繼器網絡中它們可以同時同步多個單光子。這極大地提高了遠距離量子通信的效率。在量子光子處理中，存儲器提供了基於測量的量子計算系統中前向操作所需的延遲控制。
該平台還因其實用性而脫穎而出。與其他競爭技術不同工作場所溫度略高於室溫。而且它不需要超冷冷卻或複雜的原子捕獲裝置。使系統更易於部署同時，為每種內存模式提供更高的帶寬。在單個芯片上創建許多相同的量子存儲器的能力為大規模量子光子集成開闢了一條清晰的道路。
憑藉靈活的生產工藝，該技術可以與直接光纖連接和現有的光子組件相結合。這些優勢使光籠量子存儲器成為未來量子通信基礎設施的有力候選者。
可擴展的前進道路
光籠量子存儲器的發展是量子光子學研究的重要一步。通過將先進的納米 3D 打印與量子光學的核心原理相結合，研究人員創建了一個緊湊且可擴展的系統。這可以加速實用量子網絡和更強大的量子計算機的到來。
