A Cavity-Interfaced Register of Trapped-Ion Qubits with Multi-Second Coherence

量子互联网的梦想依赖于一个简单但困难的前提：连接能够使用量子力学语言进行交流的远程计算机。为了构建这样的网络，科学家需要节点——即小型、隔离的工作站——它们必须能够存储脆弱的量子信息，时间长到足以在节点之间传输一条消息。这些节点必须能够捕捉光子（一种单一的光粒子），并保留它所携带的连接，而不让信息消散。挑战在于，量子态极其不稳定；一旦受到环境干扰，它们往往会几乎瞬间坍缩或失去其特殊属性。为了让网络正常工作，这些节点内部的记忆时长必须长于生成下一个连接所需的时间。如果记忆在下一个链路建立之前就消退了，网络就无法扩展。

因斯布鲁克大学的研究人员通过创造一种新型量子存储器，为解决这一问题迈出了重要一步，这种存储器可以将信息保持数秒之久。他们使用了由五个钙离子组成的一串离子——这些是利用电场在真空中捕获的单原子——并将它们放置在一个专门设计的用于捕捉和引导光的集成光学腔内。在这种设置中，一个离子充当通信者，产生携带部分量子信息的光子，而另外四个离子则充位于一个存储库中，存储由该共捕获离子产生的纠缠态，而不是接收来自外部的信息。团队证明了他们可以将这些存储离子的量子态保持完整长达五秒，这一持续时间比以往类似的基于腔体的系统中实现的要长出几个数量级。这一成就证明，将光与物质相互作用的高效率与现实世界量子网络所需的长期稳定性结合起来是可行的。

实验首先将这五个钙离子冷却至接近绝对零度，并让它们在一条线上排列。随后，研究人员使用激光将离子准备在特定的量子态。为了保护这些状态免受环境自然噪声（如磁场的微小波动）的影响，他们应用了一种称为“动力学去耦”的技术。这涉及向离子发射一系列快速的射频脉冲，通过有效地来回翻转离子的量子态，从而抵消外部干扰。通过这种方式，团队延长了存储在离子中的量子信息的寿命。在没有产生光子的测试中，单个离子能以高保真度保持其状态长达五秒。当团队对所有五个离子进行整体测试时，他们发现每个离子的表现都与单个离子一样出色，能够维持量子信息长达整个时长。这证实了该方法适用于寄存器（或一小组量子比特），而不仅仅是单个量子比特。

下一步是测试这种记忆是否能在实际创建连接的过程中幸存下来。研究人员对五个离子中的一个进行了编程，使其产生一个将量子链路传输到远端位置的光子。这个过程涉及用激光照射该离子，使其向腔体发射一个光子。团队想要观察生成该光子的过程以及所需的激光是否会破坏存储在其他四个离子中的量子信息。他们重复了数千次光子生成尝试，同时监测存储离子的健康状况。他们发现，记忆依然稳健，即使在经过数千次尝试后仍能保持其量子态。唯一导致记忆退化的因素是一种特定的激光干扰，即“串扰”（crosstalk），即用于通信离子的微量激光光束意外击中了存储离子。通过对这种效应进行建模，研究人员表明这种退化是可预测且可控的，而非系统的根本缺陷。

或许最令人瞩目的结果是能够长时间存储离子与光子之间的连接。团队生成了一对纠缠对，其中离子的状态与光子的状态相连，然后将离子部分的纠缠态存储在记忆中。他们在再次测量离子之前等待了两秒钟。即便经过了这么长的延迟，离子与光子之间的链路依然保持强劲，这证明了记忆成功地保存了纠缠。这是一个关键的里程碑，因为它表明系统可以长时间持有连接，以便执行复杂的网络操作，例如等待来自远端节点的信号，或在发送下一条消息前进行计算。研究人员计算出，通过适度的改进，例如更好的激光聚焦技术和离子的周期性冷却，他们的系统可以实现两个远程位置之间同时建立多个连接。

这项工作也确定了当前装置的具体极限。虽然该存储器具有极强的韧性，但研究人员发现，随着离子因激光脉冲而升温，生成光子的效率会随时间略微下降。他们判定，可以通过增加离子链中的离子数量来帮助冷却系统而不干扰记忆，从而解决这一加热问题。此外，他们还表明，通过将存储离子稍微移开通信离子，或者使用更好的透镜来更紧密地聚焦激光，可以最大限度地减少作为主要误差来源的激光串扰。这些属于工程挑战而非基本的物理障碍，这意味着前进的道路是清晰的。

这项研究代表了从构建单量子比特实验向创建可相互连接的小型功能模块的转变。在积极构建网络的同时能够存储量子信息数秒之久，是扩展量子计算机的前置条件。团队的结果表明，由这些离子-腔体模块组成的网络最终可以支持在远距离之间同时创建多个纠缠对。这将允许复杂量子态的隐形传态以及长距离连接的纯化，从而构成未来量子互联网的骨干。通过证明集成腔体的系统可以实现数秒级的相干性和稳健的记忆，研究人员为现实世界中如何构建量子网络提供了一个具体的蓝图。