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镱:未来的量子存储器

发布日期:2021/2/5 14:24:07

日内瓦大学——来自UNIGE的研究人员与法国CNRS (CNRS)密切合作,发现了一种可以用来快速存储和重复量子信号的新材料——这可能是全球量子网络的开端吗。

量子通信和密码学是高安全性通信的未来。但是,在建立一个全球性的量子网络之前,还有许多挑战,包括将量子信号长距离传播。其中一个主要的挑战是创造存储光所携带的量子信息的记忆。瑞士日内瓦大学(UNIGE)的研究人员与法国CNRS合作,发现了一种新的材料,在这种材料中,一种元素镱可以存储和保护脆弱的量子信息,即使在高频下也可以。这使得镱成为未来量子网络的理想候选者,量子网络的目标是通过充当中继器来实现信号的长距离传输。这些结果发表在《自然材料》杂志上。


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如今,量子密码学使用的光纤长达数百公里,其特点是高度安全:不让信息消失,就不可能复制或拦截信息。

然而,无法复制信号这一事实也阻止了科学家们将其放大以进行远距离传播,就像Wi-Fi网络的情况一样。

找到产生量子记忆的合适材料

由于信号不可能在不消失的情况下被复制或放大,科学家们目前正在研究如何通过捕获光子并使它们同步,从而使量子记忆能够重复它,从而使它们能够扩散得越来越远。剩下的就是找到制造这些量子记忆的合适材料。“难题在于如何找到一种材料能孤立量子信息转达了环境干扰的光子,这样我们可以抓住他们一秒钟左右,同步,“Mikael Afzelius解释说,应用物理学系的研究员UNIGE学院的科学。“但是一个光子在一秒钟内传播大约30万公里!”这意味着物理学家和化学家必须挖掘出一种材料,这种材料与外界干扰隔绝得很好,但仍能在高频率下工作,以便光子能被迅速储存和恢复——这两种特性通常被认为是不相容的。

稀土“圣杯”的“引爆点”

尽管实验室测试的量子内存原型已经存在,包括那些基于稀土元素的原型,如铕或镨,但它们的速度还不够快。“因此,我们把兴趣从元素周期表上转移到一种迄今为止很少受到关注的稀土元素:镱,”尼古拉·吉辛(Nicolas Gisin)解释道。吉辛是优尼格大学(UNIGE)科学学院应用物理系教授,也是ID Quantique的创始人。Gisin教授补充道:“我们的目标是找到制造量子中继器的理想材料,这需要将原子从它们的环境中分离出来,而环境往往会干扰信号。”这似乎就是镱的情况!

UNIGE和CNRS的物理学家发现,通过将稀土置于非常精确的磁场中,稀土原子进入一种不敏感状态,从而与环境中的干扰隔绝,从而有可能捕获光子,使其同步。“我们通过改变磁场的振幅和方向找到了一个‘神奇的点’,”UNIGE应用物理系的研究员阿列克谢·蒂拉诺夫(Alexey Tiranov)和巴黎希米研究所(Chimie Paris research institute)的研究员菲利普·戈德纳(Philippe Goldner)说。“当达到这一点时,镱原子的相干时间增加了1000倍,同时在高频率下工作!”

镱的好处

物理学家们现在正在构建基于镱的量子存储器,这种存储器可以用来快速地从一个中继器过渡到另一个中继器,同时尽可能长时间地保持光子,以实现必要的同步。这种材料为创造全球量子网络开辟了一个新的可能性领域;它还强调了在进行基础研究的同时进行更多应用研究的重要性,例如设计量子存储器。