A solid-state quantum memory based on a continuous optoacoustic system

为了构建一个信息在全球范围内瞬时且安全传输的未来，科学家们需要一种能够让光“暂停”的方法。在量子世界中，信息通常由单个光粒子携带，但这些粒子以光速移动，一旦撞击到任何物体就会消失。为了处理这些数据或将其进行长距离传输，研究人员需要一种能够捕捉飞行的光子、将其静止保持片刻并将其原样释放出来的“存储器”。这不仅仅是关于保存一个文件；它是关于保护那些使诸如不可破解的通信和超高精度传感等技术成为可能的、脆弱且无形的量子态模式。挑战在于寻找一种既能捕捉这些稍纵即逝的粒子而不破坏其量子特性，又能足够快速以处理现代数据高速节奏的材料。

一个研究小组提出了一种新的方法来解决这个问题，即使用一块作为光和声波连续高速公路的固体玻璃或晶体。他们并没有尝试将光困在一个微小的、孤立的盒子中（这会限制一次能存储的信息量），而是采用了一种长而薄的波导，让光波和声波在其中共同旅行。在这个系统中，一束激光脉冲充当了桥梁，将旅行中的光子转换为旅行中的声波（称为声子），然后再转回原样。这一过程依赖于一种被称为布里渊散射（Brillouin scattering）的特定相互作用，其中光子的能量与声波的能量进行交换。研究人员表明，通过精确控制这些相互作用的时机，他们可以将量子态从光映射到声，让其在那里停留片刻，然后再次将其检索为光，且无需通常此类精密工作所需的极低近绝对零度温度。

该提议的核心是一个功能类似于可逆开关的两步过程。首先，一束强激光脉冲进入波导并遇到携带量子信息的弱信号。这种相互作用迫使信号转化为在材料中传播的声波。此时，信号被存储为固体介质中的一种振动。在一段可编程的延迟之后，第二束激光脉冲到达并逆转该过程，将声波重新转化为携带原始信息的激光脉冲。由于该系统使用的是行进波而非陷于腔体中的粒子，因此它可以同时处理非常广泛的频率。这意味着该存储器可以同时存储许多不同的信号，这是扩展量子网络的一个关键特征。

研究人员利用详细的计算机模拟来测试该系统在现实世界材料中的运作效果。他们模拟了在不同温度和不同相互作用强度下，光波和声波的行为。结果表明，该系统可以以极高的准确度存储和检索复杂的量子态，例如噪声低于标准极限的“挤压”光。即使在 1 开尔文（仅比绝对零度高一度，但远比许多量子设备所需的毫开尔文温度要暖和）的温度下，该存储器仍能保持高保真度的量子信息。模拟显示，该系统可以在数十纳秒的存储时间内有效运行，这对于处理许多先进应用中的数据已经足够长。

这项工作的一个关键发现是，该系统并不要求声波在存储信息之前冷却到其最低能量状态。在许多量子系统中，材料中残留的任何热量或振动都会破坏脆弱的量子信息。然而，由于该协议依赖于光与声之间快速、相干的交换，即使声波并非处于完美的“冷”状态，该存储器也能保持稳健。研究人员发现，只要光与声之间的相互作用足够强，系统就可以克服背景热噪声。这表明，由于该技术不需要最极端的冷却设备，其构建和操作难度可能比以往的方法更低。

该研究还探讨了存储器在多大程度上能保持纠缠（entanglement）——即两个粒子无论距离多远都保持联系的现象。在模拟中，一对纠缠对中的一半被送入存储器，而另一半则作为参考保留在外部。在第一部分被存储为声波并随后检索为光之后，这两个粒子之间的联系依然保持完好。模拟显示，这种连接的强度（即负性，negativity）仍然足够高，足以确认该对粒子的量子特性得到了保留。这证明了该系统不仅能处理简单的信号，还能处理最脆弱形式的量子信息。

所提出的存储器旨在以数百兆赫兹的带宽工作，从而实现并行处理大量数据。这比依赖离散、孤立模式（只能处理单一频率）的系统有了显著改进。通过使用连续介质，研究人员展示了该系统可以在广泛的光谱频率上同时存储信息。这种能力为多模量子信号处理打开了大门，即可以同时管理许多不同的信息通道。模拟表明，利用具有特定光学特性的现有波导技术，该系统可以使用实验室环境下可实现的峰值功率的激光脉冲来实现这些结果。

尽管呈现的结果是基于理论模型和模拟的，但它们为构建可扩展量子存储器指明了一条切实可行的路径。研究人员指出，在实际实验中，如果所使用的材料具有较低的机械损耗（这在较低温度下通常是情况），存储时间甚至可以进一步延长。他们还强调，该系统能够在亚开尔文温度下工作，而不是需要深层低温环境，这使其成为集成到未来量子网络中更具可行性的候选方案。这项工作确定了一种特定类型的光声系统是下一代量子技术的极具前景的平台，它提供了一种能够以速度、容量和可靠性存储及处理光信息的途径。