一种强大的量子存储器，可将信息存储在捕获离子量子网络中

牛津大学的量子网络节点“爱丽丝”。物镜收集与被困在真空室内的锶离子纠缠的单光子。来源：大卫·纳德林格

牛津大学的研究人员最近在一个俘获离子量子网络节点内创建了一个量子存储器。它们独特的内存设计在《物理评论快报》的一篇论文中介绍，被发现非常强大，这意味着尽管网络活动持续，它仍然可以长时间存储信息。

“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说道。“为了连接量子处理设备，我们使用单个原子离子发射的单光子，并利用该离子和光子之间的量子纠缠。

俘获离子，即利用电磁场限制在太空中的带电原子粒子，是实现量子计算的常用平台。另一方面，光子（即光的粒子）通常用于在遥远的节点之间传输量子信息。Drmota和他的同事们一直在探索将俘获离子与光子结合的可能性，以创造更强大的量子技术。

“到目前为止，我们已经实现了连接锶离子和光子的可靠方法，并用它来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，钙离子已经开发出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功能，并表明有可能在锶离子和光子之间产生高质量的纠缠，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，因为此类系统工作所需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，开发的内存需要对并发网络活动具有鲁棒性。

“这意味着在建立网络链接时，存储在内存中的量子信息不得降级，”Drmota解释说。“这需要在内存和网络之间实现极端隔离，但与此同时，还需要一种快速可靠的机制，在需要时将内存耦合到网络。

观察真空室内，我们使用电场和激光捕获锶和钙离子。来源：大卫·纳德林格。

为了创建他们的量子存储器，Drmota和他的同事使用了两种不同的原子物种，即锶和钙，因为这使他们能够在建立网络链接时最大限度地减少串扰。这种混合物种架构中有限的串扰也使他们能够实时检测错误并利用所谓的顺序冷却。混合物种纠缠门提供了网络和内存之间缺失的连接。

“我们面临的捕获离子量子位的技术错误源之一是由于磁场噪声而退化，”Drmota说。“然而，钙-43具有对磁场不敏感的跃迁，消除了这种误差，从而延长了它们的相干时间。虽然锶-88非常适合产生用于联网的光子，但它对磁场噪声很敏感。

尽管已知锶-88对磁场噪声敏感，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保持记忆离子和光子之间的纠缠更长时间。具体来说，他们可以将这种纠缠保存超过10秒，这比他们在裸锶离子和光子之间观察到的至少长1000倍。

“此外，锶离子可以重复使用以产生进一步纠缠的光子，并且我们表明这个过程不会影响存储器与先前光子之间的纠缠保真度，从而实现对网络活动的鲁棒性，”Drmota说。“值得注意的是，我们设法整合了与多种具有挑战性的技术相关的复杂性，这些技术是多年来在不同的设置中单独开发的，在一个实验中。

在最初的测试中，Drmota和他的同事创建的量子存储器取得了非常有希望的结果，因为它被发现非常强大，将捕获离子和光子之间的纠缠保持至少10秒。该团队对这种量子存储器的演示可能是实现分布式量子信息处理的持续探索的一个重要里程碑。

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）可用于在遥远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型模块可以规避对大型复杂离子阱的需求。

“强大的量子存储器可用于量子中继器，用于私人（盲）量子计算，并且是量子通信，计量和计时新发展的关键，”Drmota补充道。“例如，对于纠缠原子钟的新兴领域，在我们的实验中实现的长纠缠存储持续时间将导致远距离时钟之间频率比较精度的几个数量级的提高。

更多信息： P. Drmota 等人，俘获离子量子网络节点中的稳健量子存储器，物理评论快报 （2023）。DOI：10.1103/PhysRevLett.130.090803。

期刊信息：物理评论快报