将原子链接在一起产生量子存储加州 理工学院学分：Unsplash/CC0 公共领域加州理工学院的工程师开发了一种量子存储方法，可以帮助为大规模光学量子网络的发展铺平道路。新系统依赖于核自旋——原子核的角动量——以自旋波的形式集体振荡。这种集体振荡有效地链接了几个原子来存储信息。

这项工作于 2 月 16 日发表在《自然》杂志上的一篇论文中进行了描述，它利用了由镱(Yb)离子制成的量子比特（或量子比特），镱是一种也用于激光器的稀土元素。该团队由应用物理和电气工程教授 Andrei Faraon 领导，将离子嵌入到原钒酸钇 (YVO 4 ) 的透明晶体中，并通过光场和微波场的组合操纵其量子态。然后，该团队使用 Yb 量子比特来控制晶体中多个周围钒原子的核自旋状态。

“根据我们之前的工作，单个镱离子被认为是光学量子网络的优秀候选者，但我们需要将它们与额外的原子联系起来。我们在这项工作中证明了这一点，”《自然》杂志的共同通讯作者 Faraon说纸。

该设备是在加州理工学院的 Kavli 纳米科学研究所制造的，然后在 Faraon 的实验室中进行了非常低的温度测试。

一种利用纠缠核自旋作为量子存储器的新技术受到核磁共振 (NMR) 方法的启发。

“为了在核自旋中存储量子信息，我们开发了类似于医院使用的 NMR 机器的新技术，”加州理工学院博士后研究员、该论文的共同通讯作者 Joonhee Choi 说。“主要挑战是调整现有技术以在没有磁场的情况下工作。”

该系统的一个独特之处在于，钒原子按照晶格的规定在镱量子位周围预先确定了位置。团队测量的每个量子比特都有一个相同的内存寄存器，这意味着它将存储相同的信息。

“可重复且可靠地构建技术的能力是其成功的关键，”该论文的第一作者、研究生 Andrei Ruskuc 说。“在科学背景下，这让我们对镱量子比特与其环境中的钒原子之间的微观相互作用获得了前所未有的洞察力。”

这项研究是 Faraon 实验室为未来量子网络奠定基础的更广泛努力的一部分。

量子网络将通过在量子而非经典水平上运行的系统连接量子计算机。从理论上讲，量子计算机有朝一日能够利用量子力学的特殊特性（包括叠加）比经典计算机更快地执行某些功能，叠加允许量子比特同时将信息存储为 1 和 0。

与经典计算机一样，工程师希望能够连接多台量子计算机以共享数据并协同工作——创建一个“量子互联网”。这将为多种应用打开大门，包括解决单个量子计算机无法处理的大型计算的能力，以及使用量子密码学建立牢不可破的安全通信。

该论文的合著者包括研究生 Chun-Ju Wu 和 Jake Rochman。