光腔中的原子可能将是创建量子互联网的基础

（文章来源：科技报告与资讯）

加州理工学院的工程师研究发现，光腔中的原子可能是创建量子互联网的基础。他们的研究成果于3月30日发表在《Nature》杂志上。

量子网络通过以量子级别而不是经典级别运行的系统连接量子计算机。从理论上讲，通过利用量子力学的特殊特性（包括叠加），量子计算机有一天将能够比传统计算机更快地执行某些功能，这使得量子位可以同时将信息存储为1和0。

与传统计算机一样，工程师希望能够连接多台量子计算机以共享数据并一起工作，创建“量子互联网”。这将打开多个应用程序的大门，包括解决太大而无法由单个量子计算机处理的计算，以及使用量子密码建立的安全通信。

为了正常运行，量子网络需要能够在两点之间传输信息，而不会改变传输信息的量子特性。当前的一种模型是这样工作的：单个原子或离子充当量子位，通过一个量子位来存储信息（如果它具有诸如自旋之类的量子特性）。为了读取该信息并将其传输到其他地方，原子被光脉冲激发，使其发出光子，该光子的自旋与原子的自旋纠缠在一起。然后，光子可以通过光纤电缆远距离传输与原子纠缠的信息。

但要在实际中实现以上过程是比较困难的。关键在于寻找可以控制和测量的原子，并且要求该原子对引起误差或退相干的磁场或电场波动不太敏感，这是非常具有挑战性的。

论文的第一作者乔恩·金德姆（Jon Kindem ）说：“与光有很好相互作用的固态发射体往往成为退相干的牺牲品；也就是说，它们停止以量子工程前景中有用的方式存储信息同时，稀土元素的原子（具有使元素可用作量子位的特性）往往与光的相互作用较弱。”

为了解决这一难题，由加州理工学院应用物理学和电气工程学教授安德烈·法拉翁（Andrei Faraon）领导的研究人员构建了一个纳米光子腔，该腔的长度约为10微米，具有周期性的纳米图案，由一块水晶雕刻而成。然后，他们在光束中心发现了稀土镱离子。光学腔使他们可以多次在光束之间来回反射光，直到最终被离子吸收为止。

在《Nature》杂志上，研究小组表明，腔改变了离子的环境，因此，每当离子发射光子时，光子保留在腔中的时间就超过了99％，科学家可以在那里有效地收集和检测该光子，从而测量离子的状态。这导致离子发射光子的速率增加，从而提高了系统的整体效率。

另外，镱离子能够自旋地存储信息30毫秒。在这个时间内，光传输信息的距离很远，甚至可以穿越美洲大陆。应用物理学和电气工程学教授法劳恩说：“这是一种稀土离子，它吸收和发射光子的方式与我们创建量子网络所需的方式完全相同。这可以形成量子互联网的骨干技术。”

目前，该团队的重点是创建量子网络的构建块。接下来，他们希望扩大实验规模，并实际连接两个量子位，Faraon说。
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