科学家利用多体物理学将量子点转化为可扩展且稳定的量子节点。

通过将原子核自旋纠缠到一个“暗态”，他们创造了一个能够高保真地存储和检索量子信息的量子寄存器。这一飞跃使量子网络离现实更近了一步，为通信和计算解锁了新的可能性。

量子网络的新突破

该研究成果发表于《自然·物理》杂志，介绍了一种新型的光连接量子比特，这是开发需要稳定、可扩展和自适应量子节点的量子网络的重要一步。

量子点是具有独特光学和电子特性的纳米结构，这些特性源自量子力学。量子点已用于显示屏和医学成像等技术中，并且因其能够发射单光子而在量子通信领域备受关注。

然而，构建有效的量子网络不仅需要光子发射。它们还需要能够与光子相互作用并局部存储量子信息的稳定量子比特。本研究利用量子点中的原子自旋，将其作为能够长时间存储信息的多体量子寄存器。

利用多体物理进行量子存储

多体系统是指一组相互作用的粒子（此处指量子点内的核自旋），其集体行为产生了单个组分中不存在的新特性。研究人员利用这些集体态，创建了一个稳健且可扩展的量子寄存器。

剑桥团队与林茨大学的同事们紧密合作，成功地将13000个核自旋制备成一种集体纠缠的自旋态，即“暗态”。这种暗态减少了与环境间的相互作用，从而具有更佳的相干性和稳定性，并用作量子寄存器的逻辑“0”态。

他们引入了一个补充的“一”态，作为单一核磁子的激发态——该现象表现为一种相干波状激发，涉及核集合中传播的单核自旋翻转。这些态共同作用，使得能够以高保真度写入、存储、检索和读出量子信息。

研究人员通过一个完整的操作周期证明了这一点，实现了近 69% 的存储保真度和超过 130 微秒的相关时间。这对于量子点作为可扩展量子节点而言，是一个重大进步。

释放量子点的潜能

“这一突破证明了多体物理学在改变量子设备方面的巨大潜力，”该研究的共同主要作者、卡文迪许实验室物理学教授梅特·阿塔图雷表示。“我们克服了长期存在的局限性，证明了量子点如何可以作为多量子比特节点，为量子网络在通信和分布式计算中的应用铺平道路。2025年被定为国际量子年，这项工作也凸显了卡文迪许实验室在实现量子技术承诺方面所取得的创新进展。”

这项工作将半导体物理、量子光学和量子信息理论结合在一起，堪称独树一帜。研究人员利用先进的控制技术，使砷化镓（GaAs）量子点中的核自旋发生极化，从而为稳健的量子操作创造了低噪声环境。

克服长期存在的挑战

“通过应用量子反馈技术和利用砷化镓量子点的非凡均匀性，我们克服了由不可控的核磁相互作用引发的长期挑战，”该项目共同第一作者、量子技术副教授多里安·甘洛夫解释道。“这一突破不仅使量子点成为可运行的量子节点，还开辟了一个强大的平台，可用于探索新的多体物理和量子涌现现象。”

量子存储器与网络的未来

展望未来，剑桥团队计划通过改进其控制技术，将量子寄存器存储信息的时间延长至数十毫秒。这些改进将使量子点成为量子中继器中的中间量子存储器，而量子中继器是连接远程量子计算机的关键组件。

这一宏伟目标是他们新获得的QuantERA项目资助（MEEDGARD）的重点，该项目是与林茨和其他欧洲合作伙伴共同开展的，旨在推动量子点量子存储技术的发展。他们目前的研究得到了英国工程和物理科学研究理事会（EPSRC）、欧盟、美国海军研究办公室和英国皇家学会的支持。

参考文献：《自旋量子比特的多体量子寄存器》，作者：Martin Hayhurst Appel、Alexander Ghorbal、Noah Shofer、Leon Zaporski、Santanu Manna、Saimon Filipe Covre da Silva、Urs Haeusler、Claire Le Gall、Armando Rastelli、Dorian A. Gangloff和Mete Atatüre，发表于2025年1月24日，收录于《自然·物理》期刊。DOI：10.1038/s41567-024-02746-z