开发出第一个片上纳米光学量子存储器

由加州理工学院工程师领导的国际团队首次开发出具有纳米级光学量子记忆的计算机芯片。

量子存储器以与传统计算机存储器类似的方式存储信息，但是在单个量子粒子上 - 在这种情况下是光子光子。这使它能够利用量子力学的特殊特征(例如叠加，其中量子元素可以同时存在于两个不同的状态)来更有效和安全地存储数据。

“这种设备是光量子网络未来发展的重要组成部分，可用于传输量子信息，” Andrei Faraon (BS '04)，工程和应用部应用物理和材料科学助理教授说。加州理工学院的科学博士，以及描述新芯片的论文的相应作者。

该研究 于8月31日由“ 科学 ”杂志出版前在网上发布 。

“这项技术不仅可以实现量子存储器件的极端小型化，还可以更好地控制单个光子和原子之间的相互作用，”该研究的第一作者，加州理工学院博士后学者田忠说。钟先生还是芝加哥大学分子工程的代理助理教授，他将在2018年3月建立一个开发量子光子技术的实验室。

使用单个光子来存储和传输数据长期以来一直是工程师和物理学家的目标，因为它们有可能可靠，安全地传输信息。由于光子缺乏电荷和质量，它们可以通过光纤网络传输，与其他粒子的相互作用最小。

新的量子存储器芯片类似于计算机中的传统存储器芯片。两者都以二进制代码存储信息。对于传统的存储器，通过打开或关闭数十亿个微小的电子开关来存储信息，表示1或0.即1或0被称为位。相比之下，量子存储器通过各个基本粒子(在这种情况下是光粒子)的量子特性来存储信息。这些量子特性的基本特征 - 包括偏振和轨道角动量 - 是它们可以同时存在于多个状态。这意味着量子比特(称为量子比特)可以同时表示1和0。

为了存储光子，Faraon的团队使用由掺杂稀土离子的晶体制成的光学腔体创建了存储器模块。每个存储器模块就像一个微型跑道，在红血球的规模上只有700纳米宽，15微米长。将每个模块冷却至约0.5开尔文 - 刚好高于绝对零度(0开尔文，或-273.15摄氏度) - 然后将重度过滤的激光泵浦单个光子进入模块。在腔体的帮助下，每个光子被稀土离子有效地吸收。

光子在75纳秒后被释放，并检查他们是否忠实地保留了记录在他们身上的信息。Faraon说，百分之九十七的时间，他们有。

接下来，该团队计划延长内存存储信息的时间及其效率。为了创建一个可以发送数百公里信息的可行量子网络，存储器需要准确存储数据至少一毫秒。该团队还计划研究如何将量子存储器集成到更复杂的电路中，迈出了在量子网络中部署该技术的第一步。