存储时间延长1000倍！牛津团队实现离子阱「量子存储器」

牛津大学的研究人员最近在俘获离子量子网络节点内创建了一个量子存储器。他们在Physical Review Letters的一篇论文中介绍的独特存储设计被证明非常稳健，这意味着它可以在网络活动持续的情况下长时间存储信息。

牛津大学的量子网络节点Alice，物镜收集与真空室内捕获的锶离子纠缠的单个光子。

“我们正在建立一个量子计算机网络，它使用捕获的离子来存储和处理量子信息，”进行这项研究的研究人员之一Peter Drmota说：“为了连接量子处理设备，我们使用从单个原子离子发射的单个光子，并利用该离子与光子之间的量子纠缠。”

俘获离子是利用电磁场限制在空间中的带电原子粒子，是实现量子计算的常用平台。另一方面，光子（即光的粒子）通常用于在远距离节点之间传输量子信息。Drmota 和他的同事们一直在探索将捕获的离子与光子相结合的可能性，以创造更强大的量子技术。

“到目前为止，我们已经实现了一种可靠的方法来连接锶离子和光子，并使用它在两个遥远的网络节点之间产生高质量的远程纠缠，”Drmota 说。“另一方面，已经为钙离子开发了高保真量子逻辑和持久记忆。在这个实验中，我们首次结合了这些能力，并表明有可能在锶离子和光子，然后将这种纠缠存储在附近的钙离子中。”

将量子存储器集成到网络节点中是一项具有挑战性的任务，因为要使此类系统正常工作需要满足的标准高于创建独立量子处理器所需的标准。最值得注意的是，开发的存储需要对并发网络活动具有稳健性。

真空室内部的景象，团队在这里用电场和激光诱捕锶和钙离子。

团队将长寿命处理量子比特(processing qubit)集成到混合俘获离子量子网络节点中。离子-光子纠缠首先由网络量子比特产生⁸⁸Sr⁺被转移到⁴³Ca⁺保真度为 0.977(7)，并映射到稳健的处理量子比特。

然后团队将网络量子比特与第二个光子纠缠在一起，而不影响处理量子比特。团队执行量子态断层扫描以显示离子-光子纠缠的保真度衰减~70在处理量子比特上慢了 1 倍。动态解耦进一步延长存储时长；团队在 10 秒后测得离子-光子纠缠保真度为0.81(4)。

“我们在捕获离子量子比特时面临的技术误差来源之一是磁场噪声导致的相位差，”Drmota 说：“尽管如此，⁴³Ca⁺具有对磁场不敏感的跃迁特性，消除了这种错误，从而提高了它们的相干时间。虽然⁸⁸Sr⁺非常适合产生用于网络的光子，但它对磁场噪声很敏感。”

尽管已知⁸⁸Sr⁺对磁场噪声很敏感，但研究人员能够通过将量子信息从锶转移到系统中的钙，来更长时间地保持离子和光子之间的纠缠。具体来说，他们可以将这种纠缠保持超过 10 秒，这比他们在裸锶离子和光子之间观察到的时间至少长 1000 倍。

“此外，锶离子可以重复使用以产生更多的纠缠光子，我们证明这个过程不会影响记忆和先前光子之间纠缠的保真度，从而实现了对网络活动的稳健性。”Drmota 说。

(a)设备概述。(b)⁴³Ca⁺和⁸⁸Sr⁺层次结构

使用他们的设计，单个量子计算节点可以加载给定数量的处理量子比特（即钙），而网络量子比特（即锶）则可用于在远距离模块之间创建量子链接。

最终，这种有前途的量子存储器可以为创建可扩展的量子计算系统铺平道路，因为使用可以处理量子信息并将它们与其他模块互连的小模块可以避免对大型复杂离子阱的需求。

参考链接：

[1]https://phys.org/news/2023-03-robust-quantum-memory-trapped-ion-network.html#google_vignette

[2]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.090803