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光量子存储器件的尺寸减小了上千倍

  IEEE Spectrum网站2017年9月1日发表了一篇题目为《光量子存储器件的尺寸减小了上千倍》的文章,文章称,光量子网络的希望近来在上升,目前的商业市场也出现了一些量子光学产品。所谓的光量子网络就是通过编码量子态的光子来传送信息的网络。
 
  光量子存储器是取得光子并以信息对它编码的器件,是实现广泛的光量子网络的关键技术之一。令人遗憾的是,时至今日,所开发的光量子存储器尺寸太大,效率太低,难以实现单一芯片规模的量子器件,致使光量子存储器仍然是实现光量子网络的一个技术瓶颈。
 
  现在,一个由加利福尼亚理工学院的研究小组领头的国际研究团队创造了一型光量子存储器,其尺寸不到此前类似器件的千分之一。他们创造的光量子存储器不仅尺寸小,适合于做成单片器件,而且能够按要求恢复所存的数据。
 
  根据《科学》杂志中的一篇研究报告的描述,来自加利福尼亚理工学院、美国国家标准和技术研究所以及意大利维罗那大学的研究人员合作开发了纳米尺寸的容纳钕原子的腔体,该腔体又产生一个晶体腔来增强光和腔中的钕原子在单个光子层级的相互作用。
 
  据研究报告的作者之一安德莱•法拉翁说,他们创造的器件将光子存贮在属于稀土元素(或称镧系元素)的钕原子群体之中,钕原子本身又捕获在原钒酸钇(YVO)晶体之中。由于钕原子系综很小,本身不能够吸收光子,因此研究人员在YVO晶体中造成一个光学谐振器来增强钕原子和光之间的相互作用,使钕原子能够有效地吸收光子。
 
  为了存贮光子,首先采用一种特殊的方法使用一系列的激光脉冲准备原子系综,使原子的吸收光谱形成梳状结构。这个准备过程保证了光子在被吸收之后,经过75纳秒的时间间隔,会被自动地重新发射。
 
  当光子被原子吸收的时候,研究人员用另外一对激光脉冲来延迟重新发射的时间间隔,延迟的时间间隔取决于激光脉冲的强度,最大为10纳秒。这个过程会使器件具有按照要求取回数据的能力。
 
  研究人员所开发的器件不仅是一种存储器件,而且是一种特殊的量子存储器件。为了使器件具有量子力学性质,存贮的光子形成了2个脉冲,即前脉冲和后脉冲。也就是说,光子存在于前脉冲和后脉冲的叠合之中。
 
  研究人员已经能够证明,在光子被存贮之后,取回的光子脉冲所具有的量子波函数与所存贮的光子脉冲极为精确地类似。换言之,现在的存储器件具有高的保真度。
 
  法拉翁认为,虽然他们的器件,其实际工作原理类似于以前出现的量子存储器件,但是其尺寸减小了1000倍,而且具有此前器件所没有的按照要求取回信息的能力。关键在于,新器件采用了纳米腔体,使得信息得以存储在极小的体积之中。另外,由于器件极小,并且稀土原子和光子之间的相互作用得到了增强,因此器件能够取回存储的信息。
 
  法拉翁认为,他们的器件要得到商业应用,还必须改变制造规模和过程。他们现在采用的是离子束研磨,是一个速度相当慢的连续过程。法拉翁及其同事们将在继续研究的过程中,提高存储效率和延长存贮时间。(李洪兴)
 
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