一窥研究量子存储器的实验室

大约一年前，亚马逊网络服务 (AWS) 宣布与哈佛大学合作测试和开发量子网络。今年 6 月底，AWS 开放了实验室，让《大众科学》等媒体一睹其量子中继器的早期模型，这种中继器类似于经典放大器，可将光信号传输到长距离光纤中。

“我们正在开发量子网络技术。它们还没有完全成熟，”AWS 量子网络中心负责人 Antia Lamas-Linares 表示。“许多此类技术已在学术实验室中得到部分展示，但仍需要大量开发才能实现我们所谓的成熟量子网络。”

那么这种技术的意义何在？量子网络可用于分发加密密钥，而无需通过中间方，或创建匿名多用户广播。

建立量子网络的挑战

在量子网络中，通信不是通过传统的 1 或 0、关闭或打开的比特进行，而是通过量子比特（qubit）进行，它们可以同时处于 1 和 0 的叠加状态。计算机科学家可以纠缠这些量子比特，并利用它们的量子特性进行有趣的计算，而这些计算在传统方式下很难、耗费资源或无法完成。

但与传统系统类似，为了建立网络，团队需要能够生成量子比特、移动它们并存储它们。AWS 量子研究科学家 Nicholas Mondrik 解释说，移动它们的一个非常好的方法是使用光子或光片。它们移动起来很方便，“只要稍微聪明一点，你就可以把你的量子比特编码到光子中，”他说。

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光已在传统光纤系统中用于长距离传输信息。这种方法的问题在于，在大约 62 英里之后，情况开始变得不稳定。这时光放大器就派上用场了。它们可以检测光何时变弱，并在将其发送之前将其增强。然而，Mondrik 说，光放大器和其他用于传递光信号的设备会迫使光在 1 或 0 之间做出选择，而这样做会破坏光子携带的量子信息。

AWS 一直在研究的关键创新之一是信号放大器的量子等效物，称为量子中继器。

钻石是量子研究人员最好的朋友

为了制造量子中继器，他们首先需要弄清楚如何制造量子存储器——可以存储量子比特的东西。这样，它就可以捕获入射光子并对其进行处理，然后再将其发送出去。解决方案：合成的“量子级”钻石。

“在钻石的结构中，有时会出现缺陷。有时钻石不透明，有颜色和色调。这些东西被称为色心，它们是钻石中的杂质，”拉马斯-利纳雷斯说。“事实证明，这些杂质的行为就像人造原子，你可以用它们来存储光子的状态。这些有趣的颜色使我们能够与光交互，存储飞行量子比特的状态并操纵该状态。”

要使钻石适合存储光子，首先要制造“硅空位”。为此，研究人员采用尽可能纯净的碳钻石，并用硅原子轰击碳晶格。这些硅原子会撞出几个碳，取而代之，并在钻石晶格中充当固定原子，可以通过电子与光子量子比特相互作用。

为了将光子引导至硅原子上的电子，研究人员在硅空位周围构建了纳米腔，其作用类似于一组镜子，将光引导至需要去的地方。

为了使这个过程成功，团队需要停止钻石结构的振动；他们通过将其冷却到接近绝对零度来实现这一点。他们用来做到这一点的设备是用于超导量子计算机的相同吊灯状稀释制冷机-真空-热屏蔽组合。但这种基础设施明显更小（大约一半大小），尾部附件也完全不同。

“这就是硅空位，也就是钻石存储器所在的位置，”蒙德里克说。“为了使硅空位作为量子存储器、量子比特发挥作用，你需要将它们置于强大的可调磁场中。”因此，吊灯底部有额外的结构，可以在将热屏蔽放在外面之前连接超导磁体。

还有一个压电堆栈可以帮助研究人员控制物体，一条微波线可以帮助他们操纵量子比特，一条光纤可以将光传输到金刚石腔体中，还有一个显微镜成像系统从吊灯的底部延伸到顶部，让研究人员可以看到他们正在做什么。

但并不是所有的科学研究都是在稀释制冷机中完成的。实验室周围还设有室温工作区，用于制作、测量和表征量子比特。

目前，这个将所有不同组件组合在一起的装置看起来像是由电线、金属和透镜组成的复杂组件。但最终，该团队希望将这项技术压缩成一个单一的、适应性强的硬件，他们可以将其拖放到任何类型的量子计算设备上。