利用光學量子存儲器存儲和傳輸光

信息的存儲和傳輸是任何計算系統(tǒng)的基本組成部分，量子計算系統(tǒng)也不例外，光量子信息的受控操縱、存儲和讀取，對于量子通信和計算的發(fā)展至關(guān)重要。 如果我們要從量子通信和計算的速度和安全性中獲益，那么我們就需要弄清楚如何將量子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。

現(xiàn)有的方法是：使用光來存儲數(shù)據(jù)作為粒子狀態(tài)圖，利用光學量子存儲器存儲和傳輸光。然而，對于量子通信，光不是很容易被“捕獲”的，用光來傳輸數(shù)據(jù)是不受控制的，通常光會丟失。

德國美因茨大學的物理學家Patrick Windpassinger教授解決了這一難題，他們采用電磁誘導透明（EIT）技術(shù)技術(shù)，成功地演示了利用冷87Rb原子，實現(xiàn)了在1.2mm距離（大于存儲介質(zhì)尺寸的距離）上存儲光的主動受控傳輸，用光學傳送帶將包含暗態(tài)極化子（DSP）的整個集合傳送幾毫米，最后將光脈沖重新讀取出來。他們已經(jīng)證明，受控的運輸過程及其動力學對存儲的光的性質(zhì)影響很小。研究人員使用冷87Rb原子作為光的存儲介質(zhì)，以實現(xiàn)高水平的存儲效率和長壽命。這一成果將為未來量子計算機和量子通信奠定基礎(chǔ)。

該成果以”Controlled Transport of Stored Light”題，發(fā)表在Physical Review Letters。 Patrick Windpassinger說：“我們把光放在手提箱里儲存，只是我們的箱子是由一團冷原子云構(gòu)成的。我們把這個手提箱移了一小段距離，然后又把光拿出來。這不僅對物理學非常有意思，對量子通信也很有趣，因為光不是很容易被‘捕獲’的，如果你想以可控的方式將其傳輸?shù)狡渌胤剑ǔG失?！?/p>

圖源：Veer 這項工作利用了電磁感應(yīng)透明（EIT）技術(shù)，在這種技術(shù)中，原子可以作為存儲設(shè)備來捕獲和映射光脈沖。入射光脈沖被捕獲并相干映射，以產(chǎn)生存儲介質(zhì)的集體激發(fā)，形成強耦合的光-物質(zhì)準粒子，即暗態(tài)極化子（DSPs）。由于這一過程是可逆的，使用控制光束可以打開和關(guān)閉存儲介質(zhì)的透明度，從而從介質(zhì)中存儲和讀取光。

圖1銣-87原子低溫真空預冷實驗圖源：Windpassinger group 搭建如圖2所示的實驗系統(tǒng)，通過激光照射在磁光阱（MOT）中的冷87Rb原子，并通過兩束反向傳播的810nm圓偏振光，把它們轉(zhuǎn)移到一個紅色失諧的光學晶格中。強耦合通常需要光束的緊密聚焦，但有限的瑞利范圍會導致耦合距離短，所以采用在準一維波導中（或附近）捕獲縱向延伸的原子樣品來避免，如空芯光子晶體光纖（HC-PCF）。沿著晶格軸寬度為1.2mm的俘獲原子系綜，可以通過相互去諧晶格束之間的頻率而傳輸?shù)紿C-PCF中。探測光束（Ωp）和控制光束（Ωc）在分色鏡處與晶格光束重疊，所有光束都仔細地耦合到HC-PCF的基模上。

圖2實驗系統(tǒng)搭建測試圖源：PHYSICAL REVIEW LETTERS 125, 150501 (2020) Fig.1 實驗結(jié)果得到最大存儲效率為11%（存儲時間T=5 μs時），與其他基于光纖的系統(tǒng)相當；存儲壽命為3.1ms，比其他基于HC-PCF的系統(tǒng)報告的壽命大3個數(shù)量級。由于觀察到的存儲壽命大于我們通常需要將原子樣品運送到比樣品尺寸本身更大的距離的時間，它們足以證明傳輸存儲光的概念。 除了高效率、長壽命的存儲之外，對于量子通信網(wǎng)絡(luò)和分布式量子計算而言，量子信息在空間分離的位置之間的傳輸是至關(guān)重要的優(yōu)勢。 該團隊的下一步目標是努力提高其系統(tǒng)的存儲能力，并提高其可運行的距離。這一成果可以擴展到“真正的”量子記憶領(lǐng)域，將提出的概念擴展到更長的傳輸距離，增加存儲部分的數(shù)量，這將允許開發(fā)新的量子設(shè)備，例如具有獨立讀寫部分的光跑道存儲器，這在未來是可能的。

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