開(kāi)發(fā)出第一個(gè)片上納米光學(xué)量子存儲(chǔ)器

由加州理工學(xué)院工程師領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)首次開(kāi)發(fā)出具有納米級(jí)光學(xué)量子記憶的計(jì)算機(jī)芯片。

量子存儲(chǔ)器以與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器類似的方式存儲(chǔ)信息，但是在單個(gè)量子粒子上 - 在這種情況下是光子光子。這使它能夠利用量子力學(xué)的特殊特征(例如疊加，其中量子元素可以同時(shí)存在于兩個(gè)不同的狀態(tài))來(lái)更有效和安全地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

“這種設(shè)備是光量子網(wǎng)絡(luò)未來(lái)發(fā)展的重要組成部分，可用于傳輸量子信息，” Andrei Faraon (BS '04)，工程和應(yīng)用部應(yīng)用物理和材料科學(xué)助理教授說(shuō)。加州理工學(xué)院的科學(xué)博士，以及描述新芯片的論文的相應(yīng)作者。

該研究 于8月31日由“ 科學(xué) ”雜志出版前在網(wǎng)上發(fā)布 。

“這項(xiàng)技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)量子存儲(chǔ)器件的極端小型化，還可以更好地控制單個(gè)光子和原子之間的相互作用，”該研究的第一作者，加州理工學(xué)院博士后學(xué)者田忠說(shuō)。鐘先生還是芝加哥大學(xué)分子工程的代理助理教授，他將在2018年3月建立一個(gè)開(kāi)發(fā)量子光子技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室。

使用單個(gè)光子來(lái)存儲(chǔ)和傳輸數(shù)據(jù)長(zhǎng)期以來(lái)一直是工程師和物理學(xué)家的目標(biāo)，因?yàn)樗鼈冇锌赡芸煽?，安全地傳輸信息。由于光子缺乏電荷和質(zhì)量，它們可以通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸，與其他粒子的相互作用最小。

新的量子存儲(chǔ)器芯片類似于計(jì)算機(jī)中的傳統(tǒng)存儲(chǔ)器芯片。兩者都以二進(jìn)制代碼存儲(chǔ)信息。對(duì)于傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器，通過(guò)打開(kāi)或關(guān)閉數(shù)十億個(gè)微小的電子開(kāi)關(guān)來(lái)存儲(chǔ)信息，表示1或0.即1或0被稱為位。相比之下，量子存儲(chǔ)器通過(guò)各個(gè)基本粒子(在這種情況下是光粒子)的量子特性來(lái)存儲(chǔ)信息。這些量子特性的基本特征 - 包括偏振和軌道角動(dòng)量 - 是它們可以同時(shí)存在于多個(gè)狀態(tài)。這意味著量子比特(稱為量子比特)可以同時(shí)表示1和0。

為了存儲(chǔ)光子，F(xiàn)araon的團(tuán)隊(duì)使用由摻雜稀土離子的晶體制成的光學(xué)腔體創(chuàng)建了存儲(chǔ)器模塊。每個(gè)存儲(chǔ)器模塊就像一個(gè)微型跑道，在紅血球的規(guī)模上只有700納米寬，15微米長(zhǎng)。將每個(gè)模塊冷卻至約0.5開(kāi)爾文 - 剛好高于絕對(duì)零度(0開(kāi)爾文，或-273.15攝氏度) - 然后將重度過(guò)濾的激光泵浦單個(gè)光子進(jìn)入模塊。在腔體的幫助下，每個(gè)光子被稀土離子有效地吸收。

光子在75納秒后被釋放，并檢查他們是否忠實(shí)地保留了記錄在他們身上的信息。Faraon說(shuō)，百分之九十七的時(shí)間，他們有。

接下來(lái)，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃延長(zhǎng)內(nèi)存存儲(chǔ)信息的時(shí)間及其效率。為了創(chuàng)建一個(gè)可以發(fā)送數(shù)百公里信息的可行量子網(wǎng)絡(luò)，存儲(chǔ)器需要準(zhǔn)確存儲(chǔ)數(shù)據(jù)至少一毫秒。該團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃研究如何將量子存儲(chǔ)器集成到更復(fù)雜的電路中，邁出了在量子網(wǎng)絡(luò)中部署該技術(shù)的第一步。