研究人员开发了一种突破性的X射线量子存储器，可以延长存储时间，并为先进的量子光学应用铺平道路，包括X射线能量下的光子纠缠。

光是一种非凡的信息载体，在传统通信技术和新兴量子应用（如量子网络和计算）中都发挥着至关重要的作用。然而，处理光信号比处理标准电子信号要复杂得多。

包括德克萨斯农工大学物理与天文学系杰出教授奥尔加·科查罗夫斯基博士在内的一个国际研究团队，展示了一种在单光子水平上存储和释放X射线脉冲的新方法——该方法由科查罗夫斯基团队在早前的理论工作中首次提出——该方法可能适用于未来的X射线量子技术。

该团队的工作由耶拿亥姆霍兹研究所的拉尔夫·罗尔斯伯格 (Ralf Röhlsberger) 教授领导，在汉堡的德国电子同步加速器（DESY）的同步加速器源 PETRA III 和法国欧洲同步辐射源 (European Synchrotron Radiation Facility) 的支持下进行，实现了硬 X 射线范围内的首次量子存储器。他们的研究成果发表在《科学进展》杂志上。

量子存储的功能与挑战

“量子存储器是量子网络不可或缺的元素，提供了量子信息的存储和检索功能”，德克萨斯A&M大学量子科学与工程研究所的科察罗夫斯基表示。“光子是量子信息的快速且稳定的载体，但如果以后需要这些信息，则很难将它们保持静止。一种便捷的做法是将这些信息以极化或自旋波的形式印记到准静态介质中，并利用其长相干时间，然后通过重新发射原始光子来释放这些信息。”

科查罗夫斯卡娅表示，量子存储器已经建立了几个协议，但这些协议仅限于光子和原子集合体。她补充说，使用核集合体而不是原子集合体，即使在固态高密度和室温下也能实现更长的存储时间。这些更长的存储时间是核跃迁对外部场扰动的敏感度较低的直接结果，这得益于原子核的尺寸很小。将这些方法与高频光子的紧密聚焦相结合，可以开发出长寿命宽带紧凑型固态量子存储器。

新型X射线/核协议的制定

“将光学/原子协议直接扩展到X射线/核协议被证明是具有挑战性或不可能的，”科查罗夫斯基团队的一位博士后研究员、参与实验和团队论文合著者之一的张希文博士解释说，“因此，我们在早期工作中提出了一个新协议。”

据张所说，团队新协议背后的理念非常简单，至少在量子基本原理方面是如此。基本上，一组运动的核吸收器会在由于运动产生的多普勒频移下，在吸收光谱中形成一个频率梳。一个光谱与由这样一组核目标吸收的梳状结构相匹配的短脉冲，会因为不同光谱成分之间的建设性干涉，而在由逆多普勒频移决定的延迟后被重新发射。

“这个想法在我们目前的实验中成功地实现了，这个实验中有一个固定不动的吸收器和六个同步移动的吸收器，形成了一个七齿频率梳，”张补充道。

张说，核相干寿命是决定这种量子存储器最大存储时间的限制因素。例如，使用比铁57同位素寿命更长的异构体，研究团队将实现更长的记忆时间。

无论如何，他指出，在不丢失信息的情况下在单光子层面工作使核频梳协议具备了量子存储器的特性，这是X射线能量领域的一项创新。该团队计划的下一步包括按需释放存储的光子波包，这可能会实现不同硬X射线光子之间的纠缠——量子信息处理的主要资源。该团队的研究还强调了将光学量子技术扩展到短波长范围的潜力，由于高频振荡的波动平均化，短波长范围本质上“噪音”更少。

科查罗夫斯基说，这些具有挑战性的可能性十分有趣，她和她的合作者期待继续探索他们可调谐、强大且高度通用的平台的潜力，以便在不久的将来推动X射线能量领域的量子光学发展。

参考文献：Sven Velten、Lars Bocklage、Xiwen Zhang、Kai Schlage、Anjali Panchwanee、Sakshath Sadashivaiah、Ilya Sergeev、Olaf Leupold、Aleksandr I. Chumakov、Olga Kocharovskaya和Ralf Röhlsberger于2024年6月26日在《科学进展》期刊上发表的“硬X射线光子波包的核量子存储器”。DOI：10.1126/sciadv.adn9825

该研究由德国研究基金会、DESY和美国国家科学基金会资助。