突破！可扩展的量子存储器，寿命超过2秒，可以检测错误
量子存储设备可以将数据存储为量子状态，而不是像经典计算机存储器那样存储为二进制状态。虽然一些现有的量子存储器技术已经取得了非常好的结果，但在大规模实施之前，还需要克服一系列挑战。
AWS量子网络中心和哈佛大学的研究人员最近开发了一种很有前途的量子存储器，能够进行错误检测，其寿命或相干时间（即量子存储器可以保持叠加而不崩溃的时间）超过2秒，这种存储器可以为创建可扩展的量子网络铺平道路。该研究成果发表在《科学》杂志上。
量子网络是可以将纠缠量子比特或量子比特分发给不同地理位置的用户的系统。在通过网络时，量子比特通常被编码为光子（即单个光粒子）。
这些量子比特需要被路由和处理，将它们分发给不同的用户，并克服光纤传输损耗带来的距离限制。量子存储器是一种小型量子计算机，它可以捕获和存储编码在光子中的量子比特，而无需测量它们，因为测量它们会破坏它们所具有的纠缠。如果需要，可以已存储的量子比特重新编码成光子。
到目前为止，物理学家和工程师已经提出了几种不同的系统，这些系统可以作为量子存储器，从而实现量子网络，例如稀释的原子气体和嵌入玻璃中的稀土离子。AWS和哈佛的研究团队用的是硅空位中心SiV技术。这些是由嵌入金刚石晶体中的单个硅原子周围的电子组成的量子比特。
可扩展的量子存储器，寿命超过2秒，集成了错误检测功能。
科学论文中的图：
A. 金刚石中硅空位中心的量子能级。电控制脉冲“MW”和“RF”可以在上下之间翻转核自旋和电子磁自旋。
B和C. 装置的电子显微镜图像，由金控制线包围。硅空位被嵌入一条图案化的金刚石线中，该线将光子引导到硅空位。根据电子的量子状态，光子以不同的方式反射，从而使量子信息存储在电子自旋中。这些进步为广泛部署、可靠的量子中继器铺平了道路，这些中继器将实现防窃听通信和对量子计算机的私人访问。哈佛大学和AWS的研究人员继续致力于提高量子比特主机材料的可用性和质量，提高中继器硬件的可扩展性，并发展对网络和不同量子比特的理论理解。
研究人员为光子建立了指南，可以将光子集中在SiV附近，促进光与电子的相互作用。该系统类似于传输大多数互联网流量的光调制器。与光调制器一样，量子存储器是开关，根据它们是“开”还是“关”来传输或反射光。与普通调制器不同，光存储器由单个电子而不是大的电信号来打开和关闭，可以处于量子叠加状态离子开关。
研究人员的研究有两个主要目标。
第一个是探索使用单个原子核的磁场作为寿命更长的量子存储器的可能性，即可以存储更长时间的信息。
第二个是创造一种可以在更高温度下工作的量子存储器。
参与了该项研究的莱沃尼说：“我们的研究的第一个目标是固态量子存储器子领域的共同目标。基本上，电子自旋非常方便与光子相互作用，但对磁场和电场也很敏感。这种敏感性降低了它们的相干时间，这促使研究人员寻找将量子信息从电子转移到更惰性的核自旋的方法。在我们的论文中，我们研究了将量子信息转移到形成SiV的硅原子自旋。”
为了实现他们的第二个目标，即在比目前报道的温度更高的温度下操作量子存储器，研究人员设计出降低SiV对声子（即钻石晶格中的热振动）敏感性的策略，因为声子可以扰乱SiV中编码的量子比特。过去的物理学研究预测，挤压或“应变”晶体中的SiV对声子的敏感性应该较低。
这一预测也得到了先前实验的证实，这些实验利用了基于非结构化金刚石的挤压SiV。莱沃尼和他的同事希望在他们基于SiV的量子存储器中重现之前报道的这种效应。
“最终，我们能够实现我们的两个目标，我们能够在4开尔文的温度下捕获和存储光子，而不是之前的实验操作的0.1度，我们能够从存储在电子上的光子中获取信息，将其交换到硅核，并将其存储大约1000倍，”莱沃尼说。
这组研究人员创造的量子存储器可以“保持”一个量子比特几毫秒，这是一个相对较长的相干时间，尽管不是迄今为止文献中报道的最长时间。它可以在99%的时间内无错误地处理本地量子信息，这比许多平台更好，但比最好的平台更差。
莱沃尼解释道：“我们的存储设备真正的亮点在于它收集和存储光子的效率，目前约为50%，而且很快就会提高更多。另一个重要的特点是，它是一个‘预示’的量子存储器，当它捕捉到光子时会发出信号。这对于设计高效的量子网络至关重要。”
虽然新的量子存储器在4开尔文而不是0.1开尔文（如之前提出的设备）下运行的能力看起来并不是一个巨大的进步，但它可能会对未来量子网络的大规模实现产生重大影响。事实上，可以将温度降至4开尔文的低温冰箱比将物体冷却至0.1K的冰箱便宜5倍，体积小10倍，而且还可以安装在服务器机架上。
“达到0.1开尔文需要一个稀释冰箱（读者可能在量子计算文章中看到的‘金色吊灯’），以及相对罕见且昂贵的氦3同位素，”莱沃尼补充道。“我们在这项研究中的成功部分来自于运气，因为我们发现我们的一个器件在制造过程中变得非常紧张，这让我们测试了这赋予SiV的温度弹性。为了利用我们的发现来制商用的器件，我们需要找到一种方法，让紧张的SiV在100%的时间内都保持稳定，这是我们正在积极努力的事情。”
科普小知识：
什么是开尔文温度？
开尔文（Kelvins），为热力学温标或称绝对温标，是国际单位制中的温度单位，每变化1K相当于变化1℃。 开尔文温度常用符号K表示，其单位为开。
开尔文温度和摄氏温度的区别
两者计算起点不同。摄氏温度以冰水混合物的温度为起点，而开尔文是以绝对零度作为计算起点，即-273.15℃=0K。开尔文过去也曾称为绝对温度。水的三相点温度为0.0076℃，也可以说开尔文是将水三相点的温度定义为273.16K后所得到的温度。
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