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量子存款和储蓄功能的新记录

与传统计算机中的内存一样,量子内存组件对量子计算机也是必不可少的——新一代数据处理器利用量子力学,能够克服经典计算机的限制。量子计算机凭借其强大的计算能力,可以突破基础科学的边界,创造新药,解释宇宙之谜,或提高预测和优化计划的准确性。由于信息是用量子位来计算的,量子计算机有望比传统计算机更快、更强大。与经典计算机不同的是,量子位可以表示同时处于超常状态的0和1,光量子存储器允许存储和检索飞行的单光子量子态。

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然而,生产如此高效的量子存储器仍然是一个主要挑战,因为它需要一个完美匹配的光子-物质量子接口。同时,单个光子的能量太弱,容易在杂散光背景的噪声海洋中丢失。在很长一段时间内,这些问题将量子内存效率抑制在50%以下——这是一个对实际应用至关重要的阈值。目前,由中国香港科技大学杜胜旺教授、华南理工大学张山超教授、华南理工大学颜辉教授、华南理工大学朱士良教授和南京大学共同领导的研究小组首次发现了一种方法,可以将光子量子存储器的效率提高到85%以上,保真度超过99%。

该团队通过将数十亿铷原子捕获在一个微小的毛发状空间中,从而创造了这样一种量子存储器。利用激光和磁场,这些原子被冷却到接近绝对零度(约0.00001 K)。研究小组还发现了一种聪明的方法,可以从嘈杂的背景光中分辨出单个光子。这一发现使通用量子计算机的梦想更接近现实。这种量子存储设备也可以作为中继器部署在量子网络中,为新一代基于量子的互联网奠定基础。杜教授说:在这项研究中,我们将一个飞行的量子位元编码到单个光子偏振上,并将其存储在激光冷却的原子中。

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虽然在这项研究中展示的量子存储器只用于一个量子位运算,但它为未来新兴的量子技术和工程打开了可能性。这一发现作为权威期刊《自然光子学》(Nature Photonics)的封面文章发表,这是杜教授量子记忆实验室2011年开始的一系列研究的最新成果。量子存储器是实现远距离量子通信和大规模量子计算的关键接口,用于存储和检索飞行光子的量子态。

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虽然许多实验方案都证明了在弱相干光脉冲下具有很高的存储和检索效率,但到目前为止,所有真正的单光子量子存储器效率都远低于50%,这是实际应用的阈值。本研究的该存储器基于激光冷却铷原子中平衡的双通道电磁诱导透明,效率为>85%,保真度为>99%。对于单通道量子存储器,单光子时间波形的优化存储和检索效率可高达90.6%。这一结果使光子量子存储器更接近于量子信息处理的实际应用。

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