量子存储器阵列使我们更接近量子RAM

摘要：互联网、社交媒体和数字技术彻底改变了我们建立商业、个人和职业关系的方式。从本质上讲，这个社会依赖于以比特为单位的信息交换。比特是信息的基本单位，可以是0或1，通常在电路中表示为两个电压电平（一个代表状态0的比特，另一个代表状态1的比特）。

互联网、社交媒体和数字技术彻底改变了我们建立商业、个人和职业关系的方式。从本质上讲，这个社会依赖于以比特为单位的信息交换。比特是信息的基本单位，可以是0或1，通常在电路中表示为两个电压电平（一个代表状态0的比特，另一个代表状态1的比特）。

高效存储和操作比特的能力奠定了数字电子技术的基础，并使现代设备能够执行各种任务，从发送电子邮件、播放音乐到进行数值模拟。这些过程的实现离不开随机存取存储器 (RAM) 等关键硬件组件，它们提供临时存储和按需检索数据的功能。

与此同时，量子物理学的进步催生了一种新的信息单位：量子比特。与严格为0或1的经典比特不同，量子比特可以同时处于两种状态的叠加态。这为信息处理和存储开辟了新的可能性，尽管其实际应用仍在探索中。

未来的量子计算机和量子互联网同样需要量子存储器（特别是随机存取量子存储器）来存储和检索量子比特。尽管目前已有多种编码量子比特和实现量子存储器的方法，但尚未出现单一的“黄金标准”。

现在，在 ICREA 教授 Hugues de Riedmatten 的带领下，ICFO 研究人员 Markus Teller 博士、Susana Plascencia、Cristina Sastre Jachimska 和 Samuele Grandi 博士在固态量子存储器的开发中取得了重要里程碑——固态量子存储器是最有前途的量子信息存储平台之一。

在最近的一篇《物理评论X》文章中，他们使用一个由十个独立可控存储器组成的阵列，将量子比特存储在任意组合的存储单元中，并根据需要进行检索。这些成果建立在他们之前发表在《npj量子信息》上的一篇论文的基础上，该论文首次介绍了该阵列。

他们的工作重点是光子量子技术中广泛使用的两种量子比特编码：路径编码（其中量子比特由光子进入的存储器定义）和时间仓编码（其中量子比特以光子的到达时间（较早或较晚的时间间隔）进行编码）。对于后者，该团队利用了其方法的一个独特之处：可以将光子存储在每个存储单元的多个时隙中。

在发表于《npj量子信息》杂志的论文中，该团队利用低温恒温器内冷却至3开尔文的掺镨晶体，创建了一个由10个量子存储器组成的阵列。他们在该晶体内分配了250个存储“槽”，即时空模式，每个模式都可能存储一个光子——这创下了目前固态设备按需检索的世界纪录。这样的成就确实令人瞩目，因为按需功能在技术上非常难以实现，但对于同步量子网络却至关重要。

随后，该团队采用了类似的配置——十个可独立寻址的存储单元，但可用模式更少——来实际存储多个量子比特并按需检索，最终促成了《物理评论X》的发表。为此，声光偏转器引导激光脉冲以任意组合的存储单元写入和读取量子比特。对恢复的光子进行后验分析表明，量子存储阵列以合理的保真度保留了原始量子态。

为了展示其配置的潜力，该团队存储了两个时间仓量子比特，并同时调用它们。这些功能使我们距离实现随机存取固态量子存储器更近了一步，该存储器可应用于量子计算和通信领域。

“我们设想将该平台与光子团簇态源相结合，实现基于光的量子计算，”该研究的第一合著者马库斯·泰勒博士分享道。“在这种情况下，量子存储器阵列将存储越来越多的光子，直到形成一个大的纠缠量子态。然后，量子运算就可以开始了。”

该系统还可以推进量子中继器的发展，而量子中继器正是未来量子互联网的支柱。这些设备旨在通过在连续的段之间分配纠缠量子资源，将量子通信扩展到更远的距离。

“之前对固体的实验，仅仅进行了几十次纠缠尝试后就不得不暂停，等待成功信号返回，”ICFO研究员、该研究的合著者苏珊娜·普拉森西亚(Susana Plascencia)解释道。“有了我们的阵列，我们不再需要等待成功信号（至少在一定距离内）。相反，我们可以切换到另一个存储单元并继续尝试。”

通过新的尝试来填补这些空闲时间可以提高纠缠（以及量子信息）的长距离传输速度。

为了充分发挥时间复用量子存储器阵列的潜力，下一个挑战将是提高性能（例如，在效率和存储时间方面），增加存储单元的数量以及能够存储纠缠。

总体而言，这项研究代表着朝着 RAM 的量子等效物迈出了重要一步，其在量子通信和计算领域的影响仍是开放的。