Performance of a Hot Rb Vapour-Based Portable Quantum Memory

互联网的未来可能取决于一种能够捕捉单个光子、将其静止停留片刻，然后再次将其释放而不破坏它的设备。如今的全球网络依赖于通过光纤传输信息脉冲，但随着这些信号的传输，它们会逐渐衰减和变弱。在经典世界中，工程师通过使用放大器来增强信号来解决这个问题，但量子物理学的规则禁止这样做。由于一种防止完美复制未知量子态的基本定律，这些脆弱的信号无法在不破坏其携带的信息的情况下进行放大。为了构建一个可以进行长距离通信的量子互联网，科学家必须使用“中继器”来充当接力站。这些站点需要一种特殊的存储器，能够暂时存储量子态，等待链条中的下一个环节准备就绪，然后根据指令释放信息。挑战在于如何制造出这些既小巧、坚固，又能在不需要极低温度或大量能源的情况下运行的存储器，使其适用于实际应用。

在最近的一项研究中，研究人员着手测试一种旨在实现这一目的的商用便携式设备。该团队利用一个基于常温铷蒸气的系统，研究了这种“量子存储器”在不同条件下存储和检索光脉冲的效果。该设备使用一团被加热到易于控制的温度的铷原子云来捕捉光。通过仔细调节蒸气的温度和光脉冲的时机，研究人员测量了三个关键性能指标：存储器在信号衰减前能保持光照的时间（存储时间）、检索存储信号的效率，以及信号与背景噪声的分辨能力。他们还计算了误码率，即系统误解数据的频率。目标是观察这种便携式技术是否能达到已经为驱动我们现有互联网的经典光纤网络所建立的严格标准。

研究人员专注于一种特定类型的相互作用，称为电磁诱导透明。简单来说，这是利用两束激光使原本不透明的原子云对特定光脉冲变得透明的过程。其中一束激光作为控制光，另一束则携带信息。当控制光处于激活状态时，原子允许信息光通过。通过在信息脉冲位于原子云内部时关闭控制光，光实际上被停止并以原子激发的形式被存储起来。为了检索信息，控制光被重新开启，从而释放光脉冲。团队使用一个装满铷气、可安装在机架上的商用系统测试了这一过程，将该室加热到60至90摄氏度的各种温度。他们发送光脉冲，并测量在不同的存储时间（从几微秒到几百微秒不等）后，有多少原始信号被成功检索回来。

结果揭示了温度与性能之间微妙的平衡。随着研究人员增加蒸气的温度，原子的运动速度也会加快。虽然这增加了与光发生相互作用的原子数量，但也引入了更多的噪声，并导致存储的信息衰减得更快。研究发现，在测试的最低温度——60摄氏度下，存储器可以最长地保持光照，此时信号的相干时间约为278微秒。然而，系统的效率——即成功检索出的原始光比例——并不遵循相同的模式。系统在70摄氏度时表现最好，此时检索到的存储光百分比最高。当研究人员观察信噪比（衡量检索信号相对于背景静电的纯净程度的指标）时，发现最佳性能出现在最高温度90摄氏度下。

或许最重要的一点是，团队将这些物理测量结果转化为了标准电信领域的语言。他们计算了比特误码率，这告诉我们如果系统发送数字数据，会产生多少错误。对于一个要在真实网络中发挥作用的系统，其误码率必须极低。研究表明，在温度高于60摄氏度且存储时间在50微秒以内的条件下，该设备产生的误码率远低于现代电信网络要求的阈值。事实上，对于短时间存储，该系统实现的误码率低于一百亿分之一，这种可靠性水平符合当今经典互联网的标准。研究人员指出，虽然该系统的工作波长为795纳米，并非长距离光纤通信的标准波长，但通过波长转换技术，该技术可以被改编以适配现有的基础设施。

这项工作表明，基于常温原子蒸气的便携式量子存储器不仅仅是理论概念，而是正在接近实际应用所需的性能水平。研究并未发现一个适用于所有任务的单一“完美”温度；相反，它确定了一个可以通过不同性能目标来实现目标的运行窗口。如果优先考虑长时间保持信号，较低的温度更好。如果目标是实现最高的检索效率或最清晰的质量，则较高的温度更为理想。这种灵活性是一个关键的进步，表明这些设备可以经过调整以适应量子网络的不同需求。通过证明便携式常温蒸气系统可以达到经典通信的严苛基准，研究人员为将量子存储器整合进未来的互联网提供了一条清晰的路径，架起了脆弱量子态与连接我们世界的稳健网络之间的桥梁。