摘要

研究和验证量子力学基础与广义相对论之间的联系将需要极其敏感的量子实验。为了深入了解这一迷人的物理领域，在太空中进行专门的实验迟早会成为必要。量子技术，尤其是量子存储器，正在提供新的方法来获得决定性的实验结果，因为它们的发展状态得到了几十年的进步支持。长时间存储量子态将使研究天文基线上的贝尔测试成为可能，提高研究量子系统引力效应的测量精度，或使量子传感器和时钟的分布式网络成为可能。本文提出了将量子记忆用于空间基础物理的案例，并讨论了不同的实验以及潜在的量子记忆平台及其性能。

1.引言

量子技术目前正在扩展到可行的公共和商业应用，并扩展其在工程和应用科学中的使用能力。人们越来越关注在太空中部署此类技术以推进安全量子通信、协助分布式量子计算、改进传感以及运行基础物理学的实验测试。冷原子实验室和 MAIUS已经成功演示了空间中复杂量子系统的运行任务，在太空中操作玻色-爱因斯坦凝聚 (BEC)。即将开展的 BECCAL项目将在此传统的基础上进行大量新实验，其中包括在太空中运行量子存储器。由于量子存储器是未来量子通信系统的重要组成部分，从这项任务中获得的见解将为全球量子网络的空间就绪硬件的进一步发展提供信息。

通常，量子存储器允许将给定的量子状态（例如单个光子的状态）存储一段特定的时间，直到在稍后的时间点进行检索。这里的关键方面是这种存储和检索过程保留了所有先前建立的量子特性，例如纠缠和量子相干性。通过这种方式，量子存储器能够在极大地增强许多科学和技术应用方面发挥关键作用，例如量子态隐形传态和远程贝尔测试以及帮助设计广义相对论的新量子测试。

因此，我们强调了星载量子存储器对于长距离和时间尺度的基础量子物理实验的必要性。尽管我们主要对具有长相干时间的量子存储器感兴趣，但大规模量子网络和长距离量子通信将需要使用量子存储器作为子组件的量子中继器（见图 1)。双方之间纠缠的必要分布基于连接节点处入射信号的贝尔状态测量 (BSM)。为了桥接较远的距离，中继器因此可以用来对抗损耗和增加信号范围。中继器必然需要元件来接收和传输信号，以及对信号本身执行 BSM。在此配置中，部署量子存储器以通过在所需时间段内单独存储光子来同步两个输入信号。原则上，中继器可以线性连接在两个通信方之间以桥接越来越远的距离，仅受整体信道保真度的影响。对量子中继器中有用存储器的要求远远超过简单的光纤延迟环的能力，后者不能提供按需检索，而且由于更长的存储时间（即增加的光纤长度）而遭受显著的固有损耗。对于更长的存储时间和按需检索能力，可以选择其他类型的存储器，这将在第3节中讨论。最终，所需的存储时间在很大程度上取决于应用程序。例如，测量引力效应可能需要比量子安全信息传输更长的相干时间(第2节)。

图 1. 单节点量子中继器网络。(a) 第一步，Alice和Bob将各自的局部量子存储器与中继节点上的量子存储器纠缠在一起。(b)当两个纠缠链路建立后，两个节点存储器之间的另一个Bell状态测量产生(c)中通信双方之间的纠缠链路。在该方案中，存储器在同步产生纠缠链路中起着至关重要的作用。可以连接更多的节点以增加链路的数量，从而桥接越来越远的距离。

将量子存储器和空间中的自由空间光子链路相结合有助于通过减轻长光纤链路或大气的损耗、扩展有限的视线或提供低干扰微重力环境。光损耗原则上也可以通过地球上基于内存的量子中继器来弥补，但所需的中继器数量构成了巨大的挑战。为了说明空间操作的优势，与基于光纤的方法相比，墨子号卫星上的空间尺度量子实验已经显示出在扩展量子纠缠分布范围方面的数量级改进 。在其任务中，飞行硬件携带纠缠光子源，检测和测量保持在地面上。因此，可以得出结论，在记忆辅助地面节点结合多颗卫星使用量子记忆是进一步增加纠缠分布范围的下一步。最后，中间节点可以移动到卫星上，通过完全避免不必要的光路穿过大气层来提高保真度。以这种方式构建天基量子网络，不仅有助于未来全球量子通信的建立，还可以用于空间基础科学研究。

因此，在第2节中，我们想展望一下星载量子存储器如何改进太空中的各种实验。图2显示了几个场景的描述。它概述了远程贝尔测试(第2.1节)和重力或运动效应的测量(第2.2节和2.3节)。一旦更大的网络可用，更精确的计时（第2.4节）和分布式传感（第2.5节）等任务就变得可行。

图 2. 空间量子存储器的示例性应用。案例 1描述了远程贝尔测试，其中部署量子存储器作为基于卫星的中继器的一部分以桥接远距离或通过在本地存储光子来满足类似空间的分离要求（第 2.1 节）。描绘的是涉及地面站、运输工具和围绕月球 (1a) 或火星 (1b) 的轨道飞行器的测量。案例 2说明了由于重力梯度引起的相位集合。纠缠的光子被发送到卫星并存储在星载存储器中，而它的伙伴则存储在地球上。(2a) 和 (2b) 显示了此类实验的不同可能轨道，可用于比较测量（第2.2节和2.3节）。案例 3描述了两个远距离站之间的量子信息传输。这些可以放在地球上 (3a) 或另一个天体 (3b) 上。这两种情况已在其他地方进行了描述，需要一个量子中继器网络来实现全球覆盖和长距离传输。然而，一个典型的火星网桥可能需要超过一万个以当前技术运行的节点。这对深空应用提出了需要解决的重大挑战。

第3节将介绍不同量子存储平台的可用选项以及要求和限制，其中我们将代表性地讨论温蒸汽电池、冷原子气体、稀土离子掺杂晶体 (REID)、金刚石色心和单原子和空腔中的离子。在本文的最后，我们总结了未来面临的工程挑战。

2.空间记忆辅助基础科学

天基量子科学正引起越来越多的关注。在过去的几年里，人们提出了许多潜在的任务，以研究空间中各种各样的量子现象。正如我们将在以下小节中看到的那样，有些提议要求远距离用户之间的纠缠维持很长时间，而有些提案主要要求量子态安全存储，但不一定需要更长的时间。

2.1. 远程贝尔测试

量子力学的哥本哈根解释得出的结论是，自然理论不可能既是局部的又是现实的。约翰·斯图尔特·贝尔 (John Stewart Bell) 通过不等式在数学上表达了这一点，该不等式说明了同时服从现实主义和局域性的遥远粒子的测量结果之间相关性的上限。许多量子物理实验表明违反了这种不等式，一些实验甚至排除了检测和定位漏洞。然而，为了在这些实验中实现统计显著性，对时间上的后续测量进行平均会产生记忆漏洞，这只能在统计上但不能从根本上排除。更长的基线可以帮助在所有测量之间创建真正的类似空间的分离，从而也可以弥补这个漏洞。

虽然量子存储器不是在更长距离上运行贝尔测试的必要条件，但它们能够通过存储部分纠缠量子态来辅助此类测试，直到可以同步进行测量以满足类空间分离要求。一个简单的设置可以包含一个纠缠光子对源，其中一个光子本地存储在量子存储器中用于延迟测量，同时另一个光子被发送到远程位置。这种类型的配置将避免对第二个分布基线的需要，从而将需求减少到只有一个长基线。撇开漏洞不谈，为了证明这种方法的技术可行性，可以安装一个地面纠缠光子对源和一个量子存储器，该存储器将一个光子发送到位于约 200-2000 公里的低地球轨道 (LEO) 中的卫星进行检测高于地面。这种记忆所需的相干时间在毫秒范围内，这在当前的记忆中已经实现。

再往前推，源和存储器可能会被放置在一颗 LEO 卫星或国际空间站上，并与环绕月球的探测器建立链接。这使得贝尔测试能够通过让月球和地球上的两名实验者在光子的传播时间内确定他们的测量基础来调查“自由选择”漏洞。在这种情况下，所需的内存相干性增加到 1秒以上，这对单光子级别的当前内存提出了挑战，但多光子状态数小时的存储时间增加了在不久的将来实现这一目标的希望。

2.2. 弯曲时空对局域量子系统的影响

提高测量精度有助于开发新技术以及发现新的物理效应。在这项工作感兴趣的背景下，要测量的数量很可能以放置在不同位置或节点的自由度进行编码，或者为任务开发的资源将分布在整个空间。一般而言，量子场或其他自由度的模式将在同一站点内、跨站点或两者之间纠缠。一个或多个节点，持有存储信息或状态的量子存储器，可以经历一个物理过程，这将影响共享的纠缠。这可能会损害精度，因为信息会因不需要或不可访问的自由度而有效丢失，但如果设计正确，它也可以提高整体精度。对整个设置的更改可能包括一个或多个持有记忆的飞行器的运动或局部时空曲率的强烈动态变化。量子计量领域提供了一种语言，用于在这些情况下获得可实现的测量精度的界限。

量子计量学通过利用真正的量子特征（例如纠缠），使（量子）技术有可能击败最先进水平。在这种情况下，酉演化$\hat{U}（\theta ）$ 转换初始状态$\hat{\rho }（0）$， 并将感兴趣的参数$\theta$bi编码为最终状态。例如，这可能是引力波的作用影响存储在空间量子存储器中的量子态。具体来说，我们得到$\hat{\rho }（0）\to \hat{\rho }（\theta ）$ $=\hat{U}（\theta ）$ $\hat{\rho }（0）$ ${\hat{U}}^{+}（\theta ）$ 。可达到的精度$\Delta \theta$ 下限由 Cramér–Rao 边界$\Delta \theta \ge {\left(NH\right)}^{1/2}$ 给出，其中N是测量的数量或输入的单个量子态，并且$\mathcal{H}$ 是量子 Fisher 信息。 这个重要的信息理论量与在希尔伯特空间中区分附近量子态的（理论）操作方法有关。如今，在实验室中常规测量量子态。然而，在几乎不可能维持量子系统的量子相干性的时间尺度上存在许多新效应。这个差距可以通过量子记忆来弥补，它可以让状态保持足够长的时间来产生效果。

一个特别有趣的例子是在移动空腔内动态产生纠缠。已经表明，限制量子场的空腔的（相对论）运动不仅可以产生粒子，即众所周知的动力学卡西米尔效应 ，而且还可以在场激发之间产生量子相关性。对运动影响的系统研究揭示了所涉及的变换的特性，以及如何设计它们以产生不同的（纠缠）量子门。随后开发了特定技术以将量子计量学的概念应用于相对论设置，并提出了使用 BEC 内声子纠缠态进行引力波传感的理想应用。在这些研究中，空腔被假定为无限刚性。虽然这对于原理验证研究来说是一个很好的近似值，但必须考虑空腔的弹性特性。这是可以做到的，并且已经成功地在上述研究的相同背景下朝这个方向进行了初步尝试。需要做更多的工作来正确描述系统的特征，包括具体任务建议的这些方面。

因此，基于相对论量子场的精确测量是一种潜在的有前途的途径，但由于长时间维持量子态以供后续处理的能力而受到损害。因此，这里的关键问题是存储所产生的量子态的能力，同时空腔位于一个孤立的环境中，从而减少机械振动和其他由于地球限制而产生的限制。场的状态一旦被存储，就会受到限制记忆的支撑运动的影响，这反过来又会导致最初存在于状态中的纠缠也受到影响。已经表明，专门设计的共振会随着时间线性或二次方地增强效果（对纠缠或平均粒子数）。粗略估计表明，在所考虑的微扰范围内，光子腔需要更长的时间。然而，如果特定记忆中固有的特征频率小于光的特征频率，那么问题就不同了。在那种情况下，表明支持多体系统的声子扰动（例如 BEC 的声子）的扰动受重力和运动的影响，因此此处讨论的技术也适用。这意味着具有特征性小频率的量子存储器可以在更短的时间内见证更大的效果。可以在图3中找到此类场景的描述。

图 3.  (a) 量子存储器放置在太空中。编码所需信息的自由度的初始状态为$\hat{\rho }（0）$ 。(b) 包含记忆的航天器移动一段时间t，量子系统的状态发生改变。(c) 一般来说，构成记忆的量子系统的状态$\hat{\rho }（t）$ ——比如量子场的模式k和k '——与其他自由度（稍微）纠缠在一起，从而影响忠实地检索量子的能力最初存储的状态。然后使用量子计量技术来获得相关参数测量精度的界限。

2.3. 运动引起的纠缠动力学

量子存储器还可用于提高纠缠相关测量的灵敏度。对于这些应用，需要长时间存储量子态，以探测不断变化的引力环境中的影响。例如，一项提议提出使用两种纠缠的冷原子气体来探测引力或加速度引起的退相干。通过使用位于两个不同航天器上的两个存储器，当两个存储器位于对应于共享惯性系的同一轨道上时，初始联合量子态会纠缠两个存储器。之后，其中一个航天器被加速到不同的轨道。如第2.2节所述，已经表明，腔的运动会影响限制在其中的局部系统的量子态，例如量子场的场模式或 BEC 的声子模式。因此，预计移动腔和其他量子系统中模式的度数之间共享的任何纠缠也会受到影响。必要相干时间的估计范围从 100 毫秒到秒或分钟，使用更保守的假设以获得合理的灵敏度。根据内存效率和保真度，这里可能需要通过统计数据产生足够高信噪比的多路复用功能。该方案如图4所示。

图 4.  (a) 两颗卫星$S_1$ 和$S_2$ 在同一轨道路径$O_1$ 上运行。这使它们都具有惯性。卫星内部的两个记忆相互纠缠在一起（用虚线表示）。(b) 卫星$S_2$ 执行机动，将其带入轨道$O_2$ ，​​在那里它将再次保持惯性。轨道转移的过程不可避免地要求卫星$S_2$ 在一段时间内处于非惯性状态。在此过程中，由于非惯性运动对受限量子系统的影响，存储器之间的纠缠将发生变化，如图3 (a) 和 (b)所示。

2.4. 用于提高时钟精度的量子存储器

精确计时不仅有利于标准化，而且有利于全球导航卫星系统等应用中的定位精度，或可能的重力势图。在经典时钟网络中共享计时信息已经可以通过经典平均来帮助减少所涉及节点的 Allan 偏差。为了进一步提高时间保持精度，已经提出了分布在空间有限体积内的N 个时钟的量子网络。利用量子纠缠，时钟节点可以通过共享量子态来查询和稳定网络的平均频率，而不是传统的分别操作和纠正每个节点。在较短的平均时间内，这使得全量子网络的精度比完全基于经典审问和合作操作的网络提高了$\sqrt{N}$ 倍。

时钟之间的纠缠传播可以通过直接交换飞行量子位或使用量子中继器来实现。虽然纠缠生成中的时序问题可以通过同步算法的智能设计来解决，但量子存储器可以通过存储状态来提供更大的灵活性，直到时钟量子位准备好进行进一步处理，尤其是在更大更复杂的网络中。如果所有生成的用于纠缠分布的光子对需要同时存储在一个存储器中，则时钟的最佳模式数为${\left[\log \left(n\right)\right]}^2$ ，要求每个通道的模式容量为85，时钟包含$n=10^4$ 量子比特。这对于现在的量子记忆来说是很容易达到的。

为了提供全球时间参考，一个足够大的时钟网络必须在太空中运行，因为已经讨论过与仅地面光链路相关的损耗。

2.5. 分布式量子传感

与上述量子合作时钟网络类似，量子传感器的分布式网络可以利用相同的基本原理来实现分布式感知，其中完全量子操作的网络的噪声尺度为$1/N$ ，而完全经典操作的网络的噪声尺度为$1/\sqrt{N}$ ，从而提高了$\sqrt{N}$ 。因此，足够大的网络可能导致低于标准量子极限的敏感测量，并使引力效应得以检测，可能将时空与量子物理连接起来。

使用分布式量子传感器的一个特别建议是将它们应用于天文学，以构建干涉望远镜或光学波长望远镜阵列。固定地球上的量子存储器可能是第一代可实现的硬件，并且需要支持任何量子传感器网络。同样，如量子通信网络所设想的那样，向基于空间的量子传感器和存储器阵列的发展将为天文学和大地测量学带来类似的好处。最近通过检测和定位地震事件显示了将量子网络应用于测地线测量的可行性。

3. 量子存储器类型

为了能够进行第2节中讨论的实验，必须在灵活或预定义的时间内可靠地存储光子（飞行量子比特）。量子存储器具有充当飞行和静止量子位之间接口的能力。它们能够按需或在系统本身定义的特定时间后吸收和重新发射光子量子比特。存在许多不同的平台来实现量子存储器（见图5)。 人们可以区分基于集合的平台，例如冷原子气体和暖原子气体以及 REID，以及单个发射器，例如金刚石或单个原子和分子中的氮空位 (NV) 中心。由于量子态光子分布的先进技术，光学活性系统成为主要候选者。因此，我们专注于这些平台，而不讨论那些目前缺乏光学接口的平台，尽管其中一些平台具有出色的相干时间和保真度 。

图 5. 可能的量子存储平台。在基于集合的光子存储中，我们发现 (a) 暖蒸汽电池，(b) 磁光阱中的冷原子气体，以及 (c) 稀土离子掺杂晶体 (REID)。使用单个发射器，值得注意的例子是 (d) 金刚石中的色心或 (e) 空腔中的单个原子/离子。

存在多种协议来为不同平台实现量子存储。它们可以分为光控存储器，例如电磁感应透明 (EIT)、拉曼型方案、快速阶梯存储器和非共振级联吸收存储器，以及工程吸收方案，其中人们发现梯度回波记忆、受控可逆非均匀展宽 和原子频率梳 (AFC) 协议。每个平台通常支持不止一种协议。正确的选择在很大程度上取决于计划的内存应用。到目前为止，没有任何一种组合能够为通用设备提供足够的解决方案，即在高效率、长存储时间、时间和空间多模容量、大带宽、高保真度等之间存在权衡。在内存效率的情况下，不仅要特别注意内存固有值，还要注意整个设置。最后，这些权衡必须针对目标应用程序进行平衡。例如，在存储时间已经预先固定的情况下，可能不需要按需读出，例如在（大约）恒定基线上进行贝尔测试的情况。这可能会放松对存储协议的要求，从而降低系统的复杂性，例如，如果光学相干时间已经足够，则无需在REIDs中进行长期的自旋波存储。

在接下来的几节中，我们将更详细地描述其中最相关的平台，并介绍最先进的典型实现。一些实验已经完成存储包含许多光子的明亮激光脉冲，而不是在单光子水平上操作。然而，在大多数情况下，真正的单光子是必须的。因此，记忆需要与单光子源配对，这对记忆平台以及开发与记忆匹配的高效光子源提出了额外的挑战。

3.1. 暖蒸汽电池

蒸汽电池是低复杂性系统，可以在广泛的温度和条件下运行，无需任何低温制冷和大磁场，这使它们成为一个易于扩展的平台。常用的是碱性原子，因为它们具有能量低的自旋态和长相干时间。这些状态在 EIT 和拉曼协议中用作存储状态。即使在室温下，原子蒸气也显示出高光学深度，因此可以实现高存储效率。然而，众所周知，这些类型的存储器容易受到噪声的影响，尤其是来自四波混频的噪声。

通过使用 Cs 原子的自旋取向自由度和特殊的腔室涂层，Katz 和 Firstenberg 报告在长达 150 毫秒的存储时间下的存储效率为 9%–14%。通过应用特定的一周长的温度循环来对抗自旋破坏，他们能够将存储时间增加到 430 毫秒，并声称内存足以存储弱相干态和压缩态。通过超精细流形，他们提出了可能的单光子操作。Guo等人通过铷存储器中的非共振拉曼方案，在暖蒸气存储器中实现了迄今为止最高的效率，值为 82%。他们进一步在单光子水平上获得高达 98% 的保真度。着眼于存储器与单个光子源的接口，在 [ 82 ] 中实现了接受带宽为 0.66 GHz 的存储器，适用于来自半导体量子点的光子。在 [ 83 ]中实现了原子蒸汽中的低噪声水平，他们报告了${\mu }_1=0.20$ 噪声光子的值，而无需执行[84]中所做的腔工程方案。在[85]中，报告了低于${\mu }_1=0.04$ 的噪声水平。

以上所有结果都是通过权衡剩余内存参数来实现的。[86]同时优化了两个相关参数，即单光子水平的端到端效率和信噪比。[87]首次证明了使用自发参数下转换源的光子在基态热原子蒸汽存储器中真正的单光子存储和检索。

在这些系统中，多模容量的空间复用是可行的，代价是更强大的激光器，但据我们所知，尚未在实验中实现。微加工技术使单元尺寸达到毫米级，这有助于卫星集成的小型化。

3.2. 冷原子气体

与蒸气室不同，冷原子气体在磁光阱中被冷却，以将原子运动减少到 100  µ K 或更低，这为达到长相干时间提供了途径。在更低的温度下创建 BEC 需要更强的激光来形成更深的陷阱，或者需要原子芯片来进行射频蒸发冷却。原子芯片组件有助于小型化和操作，但需要更仔细地规划真空馈通以及原子云和芯片表面之间的相互作用。

冷气体通常执行与暖气体相同的存储协议。实现了高效率和存储时间；特别是，Yang报道了在铷气中存储 220 毫秒的时间，本征回收率为 76%。在 [ 36 ] 中，已经实现了 73% 的内存效率，尽管存储时间较低，仅为 3.2 毫秒。多模能力已经通过轨道角动量或空间复用实现，并且最近已经证明了两个铷存储器之间的纠缠。

便携式冷原子气体已经存在，片上光学器件将来可能会减少对体积更大的光学元件的需求。然而，光子吸收率的上限限制了在厘米范围内合理创建 BEC 的最小系统尺寸。空间应用特别感兴趣的是使用微制造磁光阱进行 1000 天超高真空 (UHV) 操作的被动泵送系统小型化的发展。

先前任务 MAIUS和 CAL 使冷原子气体成为空间量子存储器的重要竞争者，BECCAL项目将成为未来的基石。

3.3. 身份证

固态基础系统的内在优势在于其低复杂性、紧凑性和微集成的可能性。在REIDs中，低到单光子水平的光学模式被存储在掺杂稀土离子的集体激发中，晶体通常冷却到低于6k的温度。突出的掺杂剂是镨$\left({}^{141}P{r}^{3+}\right)$ 中的镨或铕$\left({}^{151/153}E{u}^{3+}\right)$嵌入在正硅酸钇$\left(Y_{2}Si{O}_5\right)$ 中 ，尽管还有其他各种材料，甚至与通信波长兼容。

光学相干时间范围可以接近100 μ s，在某些情况下甚至数百μ s。为了获得最长的相干时间，光激励可以转换为自旋波，然后可以使用动态解耦技术抑制自旋波的退相。基于铕$\left({}^{151}Eu\right)$ 给体的系统能够在1t左右的磁不敏感跃迁下运行，实现了高达6h[38]的自旋相干时间和光存储高达1h。单光子操作已经实现，光子噪声水平为${\mu }_1=0.069$ 和${\mu }_1=0.10$ ，大约12 μ s左右的存储时间相当。

大多数 REID 作为混合 AFC 存储器运行以存储自旋波中的频率梳以供按需检索，尽管 EIT 存储器也存在。下转换以匹配电信波长是可能的，最近用于两个 REID 存储器之间的多模操作或与冷原子气体的接口。

在考虑太空飞行的系统小型化时，可以通过在更小但足够的偏置场下运行来避免对笨重磁铁的需求。也可以使用光波导集成晶体。用于单光子探测器的紧凑型低温冷却器的最新发展也有利于固态系统的冷却要求。

3.4. 钻石色心

固态量子存储器的其他竞争者是金刚石或碳化硅中的各种色心。对金刚石中的 NV 中心进行了深入研究，其中在大块金刚石碳晶格内的空位旁边的替代氮原子会导致磁性可调谐荧光。除了用作灵敏的磁力计外，色心还可以获取相关自由电子自旋以及氮原子和任何近端${}^{13}C$ 核的量子特性。这些原子核最近已被用于形成一个十量子位存储寄存器，任意单量子位状态的相干时间为 75 秒，双量子位纠缠的相干时间超过 10 秒。改善储存时间的技术包括通过${}^{13}C$ 原子核的纠缠蒸馏，钻石的同位素纯化以减少不均匀拓宽[120]，以及应变工程。

尽管 NV 是目前最成熟的系统，最近得到了锡空位 (SnV)或硅空位 (SiV)中心的补充，由于它们的反转对称性，它们在光子纳米结构中提供了更好的兼容性，产生高收集效率。与 SiV 中更长的相干性所需的低温相比，SnV 可能在高于 1 K 的温度下提供相似或更好的相干性。

色心主要使用共聚焦显微镜读出，这会显着影响系统尺寸。因此，光腔、光子芯片或光电读出器有助于缩小系统尺寸。此外，由于色心也可用作出色的单光子发射器，因此它们能够在集成系统中提供本机源。

吸收存储方案的低效率可能会使空位中心作为发射量子存储器更具吸引力，这可用于贝尔测试（第2.1节）或分布式时钟和传感器（第2.4节和2.5节）。

3.5. 单个原子和离子

高精细腔中的单个原子和离子是研究量子存储器的首批候选者之一。它们具有出色的相干性，并结合了高效的光学接口。诸如纠缠交换之类的任务已经得到证明。使用高精细腔，可以通过 Purcell 效应增强光学相互作用，甚至可以实现与腔模式的强耦合。

用作存储器时，单个离子使用可实现约 70% 的效率，但受离子的能级结构限制。在捕获的 Yb 离子和发射到谐振器模式的光子之间实现了 90.1(17)% 保真度的确定性纠缠。基于单个原子的存储器达到了 22% 的效率和 100 毫秒的存储时间。此外，单个原子允许预示存储，并且当耦合到附近的粒子时，可以实现基本的量子信息处理，这对于量子纠错很有用。

然而，实验的复杂性很高，并且有限的多模容量对需要多模存储器的应用施加了硬性限制，例如用于纠缠分布。

3.6. 太空中量子存储器的工程挑战

我们的讨论强调了将量子存储器安装到星载平台的特殊兴趣。由于基于空间的研究和技术开发总是受到尺寸、质量和功率方面的限制，因此将量子技术集成到立方体卫星或卫星中的研究是一种自然发展。这与登月任务或其他任务所需的苛刻环境要求相结合。

由于远距离是传输单个光子以执行量子测量的主要问题，Alphasat I-XL 对从地球静止轨道到地面的量子限制信号传播的可行性论证是一个重要的里程碑。这强调了地球静止轨道或中继站中的存储器是跨越长距离的可行且必要的选择。高损耗信道贝尔测试的成功可行性研究也为天基基础科学描绘了一幅积极的图景。

在太空中部署光学硬件将不可避免地要考虑组件的对齐和稳健性挑战，例如高数值孔径镜头等。可以在现有技术中找到解决方案，例如激光通信终端 和光学时钟。

当谈到优先选择用于太空任务的量子存储平台时，必须考虑多个因素：在中期运行中，由于已经存在的飞行遗产和相对较低的成本，暖蒸汽电池和冷原子气体提供了最先进的小型化能力- 复杂的外围设备。它们的高光学效率和带宽目前也使它们处于领先地位，但 REID 和色心最终可能会提供更长的存储时间。用于卫星的相对紧凑的低温冷却器很容易获得，并且可以在 35 K 时提供超过 100 mW 的冷却功率。对于 6 K 及以下固态量子存储器的典型温度要求，冷却功率和相关尺寸、重量和功率预算需要更多工程努力。还，振动对光学组件的影响是一个主要问题，尤其是在体积较小的卫星中，在这些卫星中，压缩机无法轻易地与冷级在空间上分离。尽管如此，基于固态的系统正在迅速发展，并且很可能会在中期运行中找到地面应用，然后更紧凑的低温学或更高温度的操作将使它们更适合长期的太空任务。此外，从长远来看，可能的光子集成使它们成为系统尺寸和内存效率方面的优秀候选者。在更紧凑的低温学或更高温度的操作将使它们更适合长期太空任务之前。此外，从长远来看，可能的光子集成使它们成为系统尺寸和内存效率方面的优秀候选者。在更紧凑的低温学或更高温度的操作将使它们更适合长期太空任务之前。此外，从长远来看，可能的光子集成使它们成为系统尺寸和内存效率方面的优秀候选者。

最后，必须针对要执行的各个实验解决表1中举例说明的关键性能因素。条目列表绝不是详尽无遗的，但应该为本文中讨论的应用程序提供一个有代表性的概述。它强调了在针对明确的应用程序要求进行优化时要考虑的各种权衡。

表 1. 示例性量子存储器及其关键性能指标。效率通常是内存固有的。'Store & Retrieve' 表示光子存储和/或检索是否可能。

四、结论

星载量子存储器在促进基础物理实验方面具有巨大潜力。一旦建立了执行长距离贝尔测试的能力，记忆辅助实验将作为一个优秀的平台，用于更复杂地测量相对论效应对局域量子系统的影响，这些系统在移动观察者之间共享纠缠 ，以及定位的实验在具有动态引力场的时空区域内。量子存储器不仅允许在相对论和量子力学重叠的情况下测试科学预测，而且这些研究还将支持深空量子通信的未来技术发展。

我们讨论了最近关于运动和动态引力场对局部系统量子态影响的预测背后的想法，以及测试此类预测如何需要长期存储量子态。量子存储器的存储时间和效率正在接近空间应用的有用状态，目前正在大量研究多模能力。此外，量子技术和量子存储社区正在进行的许多活动为未来几年的改进提供了乐观的前景。

参考链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2058-9565/acb2f1