要?jiǎng)?chuàng)建大型量子網(wǎng)絡(luò)，研究人員首先需要開(kāi)發(fā)高效的量子中繼器。這些轉(zhuǎn)發(fā)器的關(guān)鍵組件是量子存儲(chǔ)器，它是更常規(guī)的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器(例如隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM))的量子力學(xué)等效物。

理想情況下，量子存儲(chǔ)器應(yīng)該能夠在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保留信息，存儲(chǔ)真實(shí)的量子狀態(tài)，有效地讀出數(shù)據(jù)并在低損耗電信波長(zhǎng)下工作。盡管研究團(tuán)隊(duì)在量子存儲(chǔ)器的開(kāi)發(fā)方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但迄今為止，沒(méi)有提出的解決方案能夠同時(shí)滿(mǎn)足所有這些要求。

考慮到這一點(diǎn)，代爾夫特理工大學(xué)(TU Delft)的研究人員著手開(kāi)發(fā)一種新型的機(jī)械量子存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器具有足夠長(zhǎng)的存儲(chǔ)時(shí)間，較高的讀出效率以及在電信波長(zhǎng)下工作的能力。他們?cè)O(shè)計(jì)的記憶，發(fā)表在《自然物理學(xué)》上的一篇論文中，可以最終使他們先前工作中開(kāi)發(fā)的具有量子效應(yīng)的機(jī)械系統(tǒng)的實(shí)際實(shí)現(xiàn)成為可能。

“我們已經(jīng)研究機(jī)械系統(tǒng)的量子效應(yīng)已經(jīng)有好幾年了，并且在實(shí)現(xiàn)各種量子態(tài)方面已經(jīng)非常成功，因此我們一直在將其推向量子信息處理方向，” SimonGröblacher，研究小組進(jìn)行了這項(xiàng)研究的TU Delft教授告訴Phys.org。“但是，要將其中一些設(shè)備用于量子信息處理，必須首先證明它們可用于構(gòu)建量子中繼器，而量子中繼器的主要組件是量子存儲(chǔ)器。”

當(dāng)他們開(kāi)始從事量子記憶工作時(shí)，Gröblacher和他的同事們意識(shí)到，某些設(shè)備背后的機(jī)械諧振器可以支持很長(zhǎng)的使用壽命。因此，他們希望對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，以了解他們可以支持的存儲(chǔ)時(shí)間，同時(shí)還需要調(diào)查其一致性(即，他們將逐步淘汰多久)。

“我們根據(jù)之前的工作設(shè)計(jì)了一個(gè)壽命為幾毫秒的系統(tǒng)，然后對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其存儲(chǔ)時(shí)間確實(shí)在兩毫秒左右。”Gröblacher說(shuō)。“第二步，我們必須驗(yàn)證量子態(tài)及其相位信息在這段時(shí)間內(nèi)得以保留。為此，我們創(chuàng)建了機(jī)械系統(tǒng)的疊加，并研究了疊加中的相位將如何隨著時(shí)間演化。”

當(dāng)研究人員首次評(píng)估他們的量子記憶時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)其疊加態(tài)的衰變速度比整個(gè)壽命快。這遠(yuǎn)非出乎意料的結(jié)果，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)許多先前開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)都呈現(xiàn)相同的衰減模式。Gröblacher和他的同事著手進(jìn)一步探索這一發(fā)現(xiàn)，以便更好地了解這段短暫的去相干時(shí)間背后的機(jī)制。

Gröblacher說(shuō)：“我們研究的總體目標(biāo)是證明機(jī)械實(shí)際上可以用作量子記憶，并且我們實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。” “值得注意的是，這是任何人第一次證明這一點(diǎn)。”

Gröblacher和他的同事設(shè)計(jì)的量子存儲(chǔ)器具有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。主要優(yōu)點(diǎn)之一是它是完全可工程的，這意味著它可以工作的光波長(zhǎng)是可選的，因?yàn)橄到y(tǒng)的光學(xué)和機(jī)械共振是完全人工的。研究人員使用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行了設(shè)計(jì)，然后相應(yīng)地制造了該設(shè)備。

“許多量子系統(tǒng)通常使用自然發(fā)生的共振，例如原子共振或稀土共振，將它們限制在某些波長(zhǎng)上，”格羅布歇爾說(shuō)。“另一方面，我們的設(shè)備是經(jīng)過(guò)全面設(shè)計(jì)的，因此我們可以選擇在哪里工作。在我們的研究中，我們選擇1550納米，因?yàn)槲覀兿Ｍ覀兊南到y(tǒng)能夠在低損耗電信頻段波長(zhǎng)下工作。”

盡管許多先前開(kāi)發(fā)的量子存儲(chǔ)器均取得了可喜的成果，但其中很少有能夠在電信波長(zhǎng)(大約1550納米)下工作的波長(zhǎng)，該波長(zhǎng)本質(zhì)上是所有遠(yuǎn)距離進(jìn)行電信的波長(zhǎng)。而且，能夠在這些波長(zhǎng)下工作的存儲(chǔ)器要么非常復(fù)雜，要么使用壽命極短。

Gröblacher說(shuō)：“我們能夠證明我們的記憶具有令人滿(mǎn)意的記憶壽命和連貫性，同時(shí)成功地創(chuàng)建了疊加狀態(tài)。” “其他現(xiàn)有的具有機(jī)械疊加狀態(tài)的系統(tǒng)也有很大不同，我們是第一個(gè)通過(guò)光機(jī)械系統(tǒng)滿(mǎn)足關(guān)鍵量子存儲(chǔ)要求的公司。”

Gröblacher和他的同事創(chuàng)建的量子存儲(chǔ)器仍然是概念的證明，但是其性能非常有前途。為了減輕這種影響，研究人員希望在未來(lái)的研究中更好地理解為什么量子態(tài)的去相發(fā)生快于其壽命。

Gröblacher說(shuō)：“我們想弄清楚如何避免這種短時(shí)的連貫性，也許是通過(guò)不同的設(shè)計(jì)來(lái)幫助我們理解潛在的微觀(guān)機(jī)制。” “此外，我們計(jì)劃提高內(nèi)存的整體效率(即，它可以寫(xiě)和讀出狀態(tài)的效率)。”

在接下來(lái)的幾年中，Gröblacher和他的同事希望他們能夠進(jìn)一步提高量子存儲(chǔ)器的性能，以促進(jìn)其實(shí)際應(yīng)用。而且，他們提出的光學(xué)方案可能會(huì)激發(fā)其他量子存儲(chǔ)組件的發(fā)展。研究人員的最終目標(biāo)是使用他們創(chuàng)建的量子存儲(chǔ)器來(lái)啟用大型量子網(wǎng)絡(luò)。

Gröblacher說(shuō)：“我們存儲(chǔ)器的主要應(yīng)用將是量子網(wǎng)絡(luò)或量子中繼器的一部分。” “它的力學(xué)可以充當(dāng)存儲(chǔ)元件，使之能夠與其他量子系統(tǒng)(例如超導(dǎo)量子位)建立連接，這些量子系統(tǒng)非常擅長(zhǎng)進(jìn)行量子計(jì)算處理。我們認(rèn)為將我們的系統(tǒng)用作混合量子系統(tǒng)非常有趣。這樣的網(wǎng)絡(luò)。”