Quantifying the fidelity of a quantum memory

在正在兴起的量子技术世界中，信息并非存储在硬盘或云端，而是存储在单个粒子（如原子或光子）脆弱的状态之中。为了构建一个能够将此类信息在城市或洲际间传输的未来网络，科学家们需要一种能够暂停信号、将其保持片刻并释放而不丢失其独特量子特性的方法。这种暂停是通过一种被称为“量子存储器”的设备实现的。与仅仅复制数据的标准计算机内存不同，量子存储器必须保护粒子之间脆弱的关系，这种特性被称为“纠缠”。如果存储器失效，信息就会退化为普通的噪声，从而失去量子优势。工程师和物理学家面临的核心挑战在于，如何精确测量这些设备的运行效果究竟有多好。传统方法通常依赖于检查几个特定的实例，这可能会给出对设备整体性能具有误导性的图景，就像仅通过品尝一道菜就来评判一位厨师的整份菜单一样。

日内瓦大学的一个研究小组开发了一个全面的框架来解决这个问题，为认证任何量子存储器的质量提供了一种可靠的方法。他们的工作超越了仅检查几个特定案例的局限，提供了一个单一且清晰的数值，代表了存储器在所有可能输入下的平均质量。他们证明，通过测试一组精心挑选的少量输入状态，他们可以计算出设备的精确平均性能，而无需测试每一个可能的状态（因为那是不可能的）。这种方法使他们不仅能确定存储器是否有效，还能确定它在多大程度上保留了信息的维度以及传输量子数据的能力。研究人员将他们的新方法应用于一项使用掺杂镱离子的固态晶体的真实实验，这是一种以时间脉冲形式存储光的存储器类型。他们发现，这种特定的存储器可以在 10 微秒的时间内以 98.6% 的平均保真度存储量子信息，并在 125 微秒的时间内达到 98.5%。

这一新方法的核心基于一个概念——“2-设计”（2-design），即一组在数学上具有代表性的特定测试状态集合。想象一下，你试图理解一个广阔且连续的彩虹的平均颜色；测试每一种色调是不可能的。相反，如果你挑选出一组特定且间隔均匀的颜色，使其覆盖整个光谱，你就可以精确地计算出整个彩虹的平均颜色。研究人员表明，对于量子存储器而言，一小组探测状态（例如代表粒子可能状态的球面上六个特定的方向）可以充当这种代表性集合。通过制备这些状态，将它们送入存储器，并测量它们发生了多少变化，团队就可以计算出平均信道保真度。这个数字以一种独立于所使用的具体物理平台（无论是基于光、原子还是晶体）的方式，讲述了存储器性能的故事。

论文还讨论了量子存储器并不完美的现实情况：由于技术缺陷，它们经常会损失一部分信号。研究人员开发了技术，将存储器的效率（成功存储信号的频率）与其保真度（当成功存储时，信息保留得有多好）区分开来。他们展示了即使在数据有限或设备不够理想的情况下，也能够建立存储器质量的下界。他们引入了“见证者”（witnesses），即使用更少状态（例如仅两个或四个）的更简单测试，这些测试仍然可以保证存储器的性能高于某个特定阈值。虽然这些更简单的测试可能会略微低估真实的性能，但它们提供了一种稳健且高效的方法，用以证明该设备是一个真正的量子信道，能够保留未来网络所需的复杂相关性。

为了证明该框架的实际价值，团队将这些方法应用于一个固态量子存储器实验。在这种设置中，一个源产生纠缠光子对，其中一个光子作为预告（herald）信号来告知另一个光子的到达。携带了以到达时间进行编码的量子信息的第二个光子被送入晶体存储器。存储器在程序设定的时长内存储该光子，然后将其释放。研究人员随后测量光子，以观察其与原始状态的匹配程度。通过使用他们最精确的六状态协议，他们证实了在 10 微秒存储时间下的平均保真度为 98.6%，在 125 微秒下的平均保真度为 98.5%。这些结果在不同的存储时间下保持一致，表明即使在较长时间内光子检索效率从 16.6% 下降到 3.65% 的情况下，存储器本身也没有引入显著的噪声。

除了测量存储器运作得如何之外，研究人员还展示了他们的保真度指标揭示了设备的更深层属性。他们证明，高保真度得分保证了存储器不是“纠缠破坏型”的，这意味着它仍可用于存储和传输纠缠态，这对于量子网络至关重要。此外，他们还将保真度与量子容量（衡量存储器每次使用能传输多少量子信息的度量）联系起来。他们的分析表明，在 10 微秒的存储时间内，实验中的存储器具有大约理想最大值 81.9% 的量子容量。这种联系使得科学家能够基于一个单一且易于测量的数字，来预测存储器处理复杂任务的潜力。

该框架还适用于测量设备并非完全可信或未经过充分表征的情景。在许多实际应用中，用于读取存储器输出的设备可能是复杂的“黑箱”，难以进行校准。研究人员开发了一种“半设备无关”（semi-device-independent）的方法，允许在测量设备被视为未知的情况下进行认证。通过仅依赖于输入状态的统计数据和最终结果，他们仍然可以推导出存储器保真度的下界。在他们的实验数据中，这种更保守的方法仍然认证了 96.8% 的保真度，证明了即使考虑到测量过程中的不确定性，存储器的高性能依然是稳健的。

这项工作为比较不同类型的量子存储器（从基于捕获离子的到基于固态晶体的）提供了一种统一的语言。通过建立一种既严谨又在实验上可行的认证标准，研究人员消除了一个阻碍量子网络发展的重大障碍。他们的方法使工程师能够快速评估一个新的存储器设计是否已准备好集成到更大的系统中，确保量子信息在从过去向未来旅行的过程中保持完好。将这些技术成功应用于真实的固态器件，证明了高保真度量子存储不仅是一个理论上的可能性，而且是一个可以通过精确测量、理解和改进的现实存在的实体。