德國馬克斯普朗克量子光學研究所的科學家格哈德·瑞普領導的科研小組近日首次成功地實現了用單原子存儲量子信息——將單個光子的量子狀態寫入一個銣原子中，經過180微秒後將其讀出。這項新突破有望助力科學家設計出功能強大的量子計算機，並讓其遠距離聯網構建「量子網絡」。
量子計算機因其能同時處理用單個原子和光子等微觀物理系統的量子狀態存儲的很多信息，計算速度更快，但量子計算機進行操作時，其內部不同組件之間必須能進行信息交換，因此科學家希望量子信息能在光子和物質粒子之間交換。
此前，科學家實現了光子和數千個原子集合之間的信息交換。現在首次證明，採用一種可控的方式，量子信息也能在單個原子和光子之間交換。實現光子和單個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，科學家將一個銣原子放在一個光學共振器的兩面鏡子間，接著使用非常微弱的雷射脈衝讓單光子進入該共振器中。共振器的鏡子將光子前後反射了多次，大大增強了光子和原子之間的相互作用。
研究人員還通過添加一束雷射——控制雷射（在銣原子同光子相互作用時，直接射向銣原子），讓銣原子吸收一個光子，從而讓銣原子進入一種穩定的量子狀態。且原子自旋會產生磁矩，該磁矩的方向將決定用來存儲信息的穩定的量子狀態。
這個狀態可被相反的過程讀出：他們再次使用控制雷射照射銣原子，使其重新釋放出剛開始入射的光子。結果發現，在大多數情況下，讀出的量子信息同最初存儲的信息一致，也就是所謂的保真度超過90%。而傳統不基於量子效應獲取的保真度僅為67%。且量子信息在銣原子內的存儲時間約為180微秒，這能與以前基於多個原子方法獲得的量子存儲時間相媲美。
但是量子計算機或量子網絡所要求的存儲時間要比這更長。另外，受到照射的光子中有多少被存儲接著被讀出——所謂的效率，現在還不到10%。科學家正著力進行研究以改進存儲時間和效率。
研究人員霍爾格·斯派克特表示，使用單個原子作為存儲單元有幾大優勢：首先單個原子很小。其次，存儲在原子上的信息能被直接操作，這一點對於量子計算機內邏輯操作的執行來說非常重要。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的情況下被成功寫入原子中，一旦發現存儲出錯，就會重複該過程，直到將量子信息寫入原子中。
另一名科學家史蒂芬·裡特表示，單原子量子存儲的前景不可估量。光和單個原子之間的相互作用讓量子計算機內的更多原子能相網際網路，這會大大增強量子計算機的功能。而且，光子之間的信息交換會使原子在長距離內實現量子糾纏。因此，科學家們正在研發的最新技術有望成為未來「量子網絡」的必備零件。
回想人類第一臺電子計算機ENIAC，用18000個電子管和800公裡的電線，來存儲和傳輸信息。如今的電腦的基礎還是ENIAC式的結構，只不過零件極度小型化了。量子計算機如果投入實用就會顛覆這一譜系。德國研究者的最新進展讓人們有理由相信，總有一天，單個的原子和光子會替代半導體內存、磁碟和總線。您還能想出更小的計算結構嗎？而它的效率之高也會讓目前的超級計算機顯得像玩具。從1994年量子計算成為熱門領域以來，看似玄奧的量子計算機已經有了好幾種樣機，而單原子存儲將給它提供更多的可能性。(科技日報)