德國(guó)馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所的科學(xué)家格哈德·瑞普領(lǐng)導(dǎo)的科研小組，首次成功地實(shí)現(xiàn)了用單原子存儲(chǔ)量子信息——將單個(gè)光子的量子狀態(tài)寫(xiě)入一個(gè)銣原子中，經(jīng)過(guò)180微秒后將其讀出。最新突破有望助力科學(xué)家設(shè)計(jì)出功能強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)，并讓其遠(yuǎn)距離聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建“量子網(wǎng)絡(luò)”。

量子計(jì)算機(jī)因其能同時(shí)處理用單個(gè)原子和光子等微觀物理系統(tǒng)的量子狀態(tài)存儲(chǔ)的很多信息，計(jì)算速度更快。但量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作時(shí)，其內(nèi)部不同組件之間必須能進(jìn)行信息交換。因此，科學(xué)家希望量子信息能在光子和物質(zhì)粒子之間交換。

此前，科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了光子和數(shù)千個(gè)原子集合之間的信息交換，現(xiàn)在首次證明，采用一種可控的方式，量子信息也能在單個(gè)原子和光子之間交換。實(shí)現(xiàn)光子和單個(gè)原子之間信息交換的最大障礙是，光子和原子之間的相互作用太微弱。在最新研究中，科學(xué)家將一個(gè)銣原子放在一個(gè)光學(xué)共振器的兩面鏡子間，接著使用非常微弱的激光脈沖讓單光子進(jìn)入該共振器中。共振器的鏡子將光子前后反射了多次，大大增強(qiáng)了光子和原子之間的相互作用。

研究人員還通過(guò)添加一束激光——控制激光（在銣原子同光子相互作用時(shí)，直接射向銣原子），讓銣原子吸收一個(gè)光子，從而讓銣原子進(jìn)入一種穩(wěn)定的量子狀態(tài)。且原子自旋會(huì)產(chǎn)生磁矩，該磁矩的方向?qū)Q定用來(lái)存儲(chǔ)信息的穩(wěn)定的量子狀態(tài)。

這個(gè)狀態(tài)可被相反的過(guò)程讀出：他們?cè)俅问褂每刂萍す庹丈溷溤?，使其重新釋放出剛開(kāi)始入射的光子。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)情況下，讀出的量子信息同最初存儲(chǔ)的信息一致，也就是所謂的保真度超過(guò)90%。而傳統(tǒng)不基于量子效應(yīng)獲取的保真度僅為67%。且量子信息在銣原子內(nèi)的存儲(chǔ)時(shí)間約為180微秒，這能與以前基于多個(gè)原子方法獲得的量子存儲(chǔ)時(shí)間相媲美。

但是量子計(jì)算機(jī)或量子網(wǎng)絡(luò)所要求的存儲(chǔ)時(shí)間要比這更長(zhǎng)。另外，受到照射的光子中有多少被存儲(chǔ)接著被讀出——所謂的效率，現(xiàn)在還不到10%。科學(xué)家正著力進(jìn)行研究以改進(jìn)存儲(chǔ)時(shí)間和效率。

研究人員霍爾格·斯派克特表示，使用單個(gè)原子作為存儲(chǔ)單元有幾大優(yōu)勢(shì)：首先單個(gè)原子很小。其次，存儲(chǔ)在原子上的信息能被直接操作，這一點(diǎn)對(duì)于量子計(jì)算機(jī)內(nèi)邏輯操作的執(zhí)行來(lái)說(shuō)非常重要。另外，它還可以核查出光子中的量子信息是否在不破壞量子狀態(tài)的情況下被成功寫(xiě)入原子中，一旦發(fā)現(xiàn)存儲(chǔ)出錯(cuò)，就會(huì)重復(fù)該過(guò)程，直到將量子信息寫(xiě)入原子中。

另一名科學(xué)家斯蒂芬·里特表示，單原子量子存儲(chǔ)的前景不可估量。光和單個(gè)原子之間的相互作用讓量子計(jì)算機(jī)內(nèi)的更多原子能相互聯(lián)網(wǎng)，這會(huì)大大增強(qiáng)量子計(jì)算機(jī)的功能。而且，光子之間的信息交換會(huì)使原子在長(zhǎng)距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)量子糾纏。因此，科學(xué)家們正在研發(fā)的最新技術(shù)有望成為未來(lái)“量子網(wǎng)絡(luò)”的必備零件。