全球首个可编程光量子存储器诞生，实现6个粒子高效纠缠

2022-10-12 16:48

近日，帕德伯恩大学（Paderborn University）的研究人员与德国乌尔姆大学（Ulm University）的研究人员宣布，双方已成功合作开发出全球第一个可编程光量子存储器。相关研究成果发表在最新一期的《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

图片来源：Paderborn University

今年，诺贝尔物理学奖授予了三位对量子纠缠实验做出重要贡献的科学家，一时成为焦点。量子纠缠，其实是指在量子力学中处于纠缠态的两个或多个粒子，其中一些粒子即使相隔很远也表现得像一个整体。值得一提的是，可包含多个量子粒子的纠缠系统在实现量子算法方面具有显著优势，未来这些算法有可能被用于通信、数据安全或量子计算。

但以往，试图纠缠两个以上的粒子会导致非常低效的纠缠。在某些情况下，如果研究人员想要连接两个粒子与其他粒子，他们就需要等待很长时间，因为促进这种纠缠的相互连接只在有限的概率下起作用。这意味着一旦下一个合适的粒子到来，光子就不再是实验的一部分，因为存储量子比特状态是一个重大的实验挑战。

而最近，帕德伯恩大学物理系和光子量子系统研究所（PhoQS）的Christine Silberhorn教授领导的“集成量子光学”小组正在使用微小的光粒子或光子作为量子系统。他们与乌尔姆大学理论物理研究所的研究人员合作，提出了一种新的方法。

上述研究团队开发了一种可编程的光学缓冲量子存储器，它可以在不同的模式（存储模式、干扰模式和最终释放模式）之间实现动态切换。这项新技术的工作原理就像一条纠缠的“装配线”，其中纠缠光子对按顺序产生，并与存储的光子结合。

在实验设置中，一个小的量子态可以被存储，直到另一个态被创造出来，然后两者就可以纠缠在一起。这使得一个巨大的纠缠量子态可以一个粒子一个粒子地“生长”。研究小组用这种方法纠缠了4个和6个粒子，比以往的任何实验都更有效，成功率分别是传统方法的9倍和35倍。

Christine Silberhorn教授解释称：“我们的系统允许逐渐增大的纠缠态形成——这比以前的任何方法都更可靠、更快、更有效。对我们而言这是一个里程碑，我们在实用量子技术的大型纠缠态的实际应用上获得了惊人的进展。”

更难能可贵的是，这种新方法可以与所有常见的光子对源相结合，这意味着其他科学家也可以使用这种方法并从中受益。