在电信波长下工作的量子存储器

要创建大型量子网络，研究人员首先需要开发高效的量子中继器。这些转发器的关键组件是量子存储器，它是更常规的计算机存储器(例如随机存取存储器(RAM))的量子力学等效物。

理想情况下，量子存储器应该能够在相当长的时间内保留信息，存储真实的量子状态，有效地读出数据并在低损耗电信波长下工作。尽管研究团队在量子存储器的开发方面取得了长足的进步，但迄今为止，没有提出的解决方案能够同时满足所有这些要求。

考虑到这一点，代尔夫特理工大学(TU Delft)的研究人员着手开发一种新型的机械量子存储器，该存储器具有足够长的存储时间，较高的读出效率以及在电信波长下工作的能力。他们设计的记忆，发表在《自然物理学》上的一篇论文中，可以最终使他们先前工作中开发的具有量子效应的机械系统的实际实现成为可能。

“我们已经研究机械系统的量子效应已经有好几年了，并且在实现各种量子态方面已经非常成功，因此我们一直在将其推向量子信息处理方向，” SimonGröblacher，研究小组进行了这项研究的TU Delft教授告诉Phys.org。“但是，要将其中一些设备用于量子信息处理，必须首先证明它们可用于构建量子中继器，而量子中继器的主要组件是量子存储器。”

当他们开始从事量子记忆工作时，Gröblacher和他的同事们意识到，某些设备背后的机械谐振器可以支持很长的使用寿命。因此，他们希望对其进行测试，以了解他们可以支持的存储时间，同时还需要调查其一致性(即，他们将逐步淘汰多久)。

“我们根据之前的工作设计了一个寿命为几毫秒的系统，然后对其进行了测试，发现其存储时间确实在两毫秒左右。”Gröblacher说。“第二步，我们必须验证量子态及其相位信息在这段时间内得以保留。为此，我们创建了机械系统的叠加，并研究了叠加中的相位将如何随着时间演化。”

当研究人员首次评估他们的量子记忆时，他们发现其叠加态的衰变速度比整个寿命快。这远非出乎意料的结果，因为发现许多先前开发的系统都呈现相同的衰减模式。Gröblacher和他的同事着手进一步探索这一发现，以便更好地了解这段短暂的去相干时间背后的机制。

Gröblacher说：“我们研究的总体目标是证明机械实际上可以用作量子记忆，并且我们实现了这一目标。” “值得注意的是，这是任何人第一次证明这一点。”

Gröblacher和他的同事设计的量子存储器具有几个优势。主要优点之一是它是完全可工程的，这意味着它可以工作的光波长是可选的，因为系统的光学和机械共振是完全人工的。研究人员使用计算机对其进行了设计，然后相应地制造了该设备。

“许多量子系统通常使用自然发生的共振，例如原子共振或稀土共振，将它们限制在某些波长上，”格罗布歇尔说。“另一方面，我们的设备是经过全面设计的，因此我们可以选择在哪里工作。在我们的研究中，我们选择1550纳米，因为我们希望我们的系统能够在低损耗电信频段波长下工作。”

尽管许多先前开发的量子存储器均取得了可喜的成果，但其中很少有能够在电信波长(大约1550纳米)下工作的波长，该波长本质上是所有远距离进行电信的波长。而且，能够在这些波长下工作的存储器要么非常复杂，要么使用寿命极短。

Gröblacher说：“我们能够证明我们的记忆具有令人满意的记忆寿命和连贯性，同时成功地创建了叠加状态。” “其他现有的具有机械叠加状态的系统也有很大不同，我们是第一个通过光机械系统满足关键量子存储要求的公司。”

Gröblacher和他的同事创建的量子存储器仍然是概念的证明，但是其性能非常有前途。为了减轻这种影响，研究人员希望在未来的研究中更好地理解为什么量子态的去相发生快于其寿命。

Gröblacher说：“我们想弄清楚如何避免这种短时的连贯性，也许是通过不同的设计来帮助我们理解潜在的微观机制。” “此外，我们计划提高内存的整体效率(即，它可以写和读出状态的效率)。”

在接下来的几年中，Gröblacher和他的同事希望他们能够进一步提高量子存储器的性能，以促进其实际应用。而且，他们提出的光学方案可能会激发其他量子存储组件的发展。研究人员的最终目标是使用他们创建的量子存储器来启用大型量子网络。

Gröblacher说：“我们存储器的主要应用将是量子网络或量子中继器的一部分。” “它的力学可以充当存储元件，使之能够与其他量子系统(例如超导量子位)建立连接，这些量子系统非常擅长进行量子计算处理。我们认为将我们的系统用作混合量子系统非常有趣。这样的网络。”