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。《物理评论快报》的一篇论文介绍了它们独特的存储设计，研究人员发现这种设计非常稳健，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。
“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表示。“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俘获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，并表明可以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，开发的内存需要对并发网络活动具有鲁棒性。
Drmota解释说：“这意味着在建立网络链接时，存储在内存中的量子信息不能退化。”“这需要内存和网络之间的极端隔离，但与此同时，还需要一种快速可靠的机制，在需要时将内存与网络耦合起来。”
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种类，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的有限串扰还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记忆之间缺失的连接。
Drmota说:“我们在捕获离子量子比特中面临的技术错误来源之一是由磁场噪声引起的失相。”“然而，钙-43具有对磁场不敏感的跃迁特征，消除了这种误差，从而提高了它们的相干时间。虽然锶-88非常适合产生用于网络的光子，但它对磁场噪声很敏感。”
尽管锶-88已知对磁场噪声敏感，但研究人员能够通过将量子信息从锶转移到系统中的钙，使记忆离子和光子之间的纠缠保持更长的时间。具体来说，他们可以保持这种纠缠超过10秒，这至少是他们在裸锶离子和光子之间观察到的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，从而实现对网络活动的稳健性，”Drmota 说。“值得注意的是，我们设法将与多种具有挑战性的技术相关的复杂性整合到一个实验中，这些技术多年来在不同的设置中独立开发。”
在最初的测试中，Drmota 和他的同事创造的量子存储器取得了非常有前途的结果，因为它被发现非常稳健，可以在至少 10 秒内保持被捕获的离子和光子之间的纠缠。该团队对这种量子存储器的演示可能是持续寻求实现分布式量子信息处理的一个重要里程碑。
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位（即钙），而网络量子位（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。
Drmota补充说:“这种强大的量子存储器可以用于量子中继器，用于私有(盲)量子计算，并且是量子通信、计量和计时新发展的关键。”“例如，对于纠缠原子钟的新兴领域，我们在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数量级提高。”
