Long-lived quantum memories with rare-earth ions doped in crystals

想象一个信息不再由电线中的电流携带，而是由单个光粒子承载的世界。这些被称为光子的粒子是构建一种新型互联网的理想信使，这种互联网承诺了不可破解的安全性和前所未有的计算能力。然而，光有一个致命缺陷：它无法被停止。一旦光子进入光纤，它就会一直旅行，直到丢失或被吸收。它不能等待。这使得构建全球网络变得不可能，因为信号会随着距离增加而减弱，而且与可以被复制和增强的传统信号不同，量子信号一旦被复制，其脆弱的信息就会被破坏。为了解决这个问题，科学家们需要一种方法来捕捉飞行的光子，将其固定不动，并在稍后将其原样释放。这种设备被称为量子存储器。它充当了光的“暂停键”，允许网络同步其操作并将其覆盖范围延伸至各大洲。

多年来，研究人员一直在寻找完美的材料来充当这个“暂停键”。他们需要一种坚固、易于制造，并且能够长时间保持量子态而不使其消散的物质。一个极具前景的候选者从晶体世界中脱颖而出：稀土离子。这些是嵌入晶格中的类似铕或镨等元素的原子。这些原子的独特之处在于，它们的外层就像一层盾牌，保护其内层电子免受晶体嘈杂环境的干扰。这种保护使它们能够以惊人的长时间保持其量子态。然而，即便有了这种天然的屏蔽，环境仍然会产生干扰。由晶体中原子的随机运动或地球自身磁场引起的微小磁场波动，会导致存储的信息发生紊乱并消失。

中国科学技术大学的一个研究小组现在在控制这种干扰方面取得了重大进展。在一项对近期实验的全面综述中，他们描述了研究人员如何成功将这些量子存储器的寿命从秒级延长到分钟级，在某些情况下甚至达到了小时级。成功的关键在于两种巧妙的策略。首先，他们确定了一个特定的磁场强度，在该强度下，原子会对磁噪声产生天然的免疫力。这就像是原子找到了一个“甜点区”，在那里磁力的推力和拉力完美地相互抵消。其次，当原子开始发生漂移时，研究人员会施加一系列快速的射频脉冲。这些脉冲就像是一次温柔的轻推，在原子迷失方向之前不断重新调整它们的对齐状态，从而有效地将信息冻结在原地。

这些工作的成果通过三种不同的衡量方式来测量，每种方式都代表了不同的难度等级。第一个衡量指标是“自旋相干时间”，它简单来说就是原子在开始彼此分离之前保持量子对齐状态的时间。通过使用掺杂铕离子的晶体，并结合磁场甜点区和重新对齐脉冲，研究人员实现了接近六小时的突破性相干时间。这意味着原子的同步持续时间远长于以往使用此类材料进行的任何实验。

第二个衡量指标是“光存储时间”。这是指实际的光束被捕获、存储为原子内的振动、然后重新释放回光束的持续时间。在早期的镨离子实验中，科学家们能将光存储约42秒。通过转向更稳定的铕晶体，并使用一种依赖于特定原子能级模式的不同存储方法，研究人员将这一时间延长到了超过52分钟。他们证明了一束光可以被保存近一个小时，并能以其波形完整的状态被检索出来，证明了信息并未被扰乱。

最困难的挑战，也是让我们最接近实现工作量子网络的挑战，是“量子存储时间”。这涉及存储的不只是明亮的光束，而是一个单一的光子，或者说单个光子。存储单个光子非常困难，因为整个过程必须极其高效且安静，不能引入任何额外的噪声，否则单个光子就会消失在静电噪声中。此前的尝试很难让单个光子维持超过几毫秒。然而，通过结合磁场甜点区、重新对齐脉冲以及一种避免在存储过程中产生额外噪声的新方法，由吕等人领导的研究团队成功地将单光子水平的输入存储了超过27秒。在此持续时间内，存储的光子保留了其量子特性，证明它不仅仅是一个经典信号，而是一个真正的量子存储。

这些成就不仅是理论上的里程碑；它们指向了一个务实的未来。研究人员指出，这些晶体与现有技术兼容，这意味着它们可以集成到小型设备中。这为“可移动量子存储器”打开了大门，即包含量子存储器的设备可以装载到卡车、无人机或卫星上，在遥远的城市之间甚至在太空中传递量子信息。能够保持一小时量子态的能力意味着车辆可以在行驶数百公里的过程中保持信息的安全，从而弥补光纤电缆无法跨越的间隙。尽管仍面临挑战，例如提高捕捉光的效率以及使设备小型化，但这项工作确立了长寿命固态量子存储器不再是一个遥远的梦想，而是一个触手可及的现实。