量子物理学的里程碑：把光存进“手提箱”

信息的存储和传输是任何计算系统的基本组成部分，量子计算系统也不例外，光量子信息的受控操纵、存储和读取，对于量子通信和计算的发展至关重要。

如果我们要从量子通信和计算的速度和安全性中获益，那么我们就需要弄清楚如何将量子数据转移。

现有的方法是：使用光来存储数据作为粒子状态图，利用光学量子存储器存储和传输光。然而，对于量子通信，光不是很容易被“捕获”的，用光来传输数据是不受控制的，通常光会丢失。

德国美因茨大学的物理学家Patrick Windpassinger教授解决了这一难题，他们采用电磁诱导透明（EIT）技术技术，成功地演示了利用冷87Rb原子，实现了在1.2mm距离（大于存储介质尺寸的距离）上存储光的主动受控传输，用光学传送带将包含暗态极化子（DSP）的整个集合传送几毫米，最后将光脉冲重新读取出来。他们已经证明，受控的运输过程及其动力学对存储的光的性质影响很小。研究人员使用冷87Rb原子作为光的存储介质，以实现高水平的存储效率和长寿命。这一成果将为未来量子计算机和量子通信奠定基础。

该成果以”Controlled Transport of Stored Light”题，发表在Physical Review Letters。

Patrick Windpassinger说：“我们把光放在手提箱里储存，只是我们的箱子是由一团冷原子云构成的。我们把这个手提箱移了一小段距离，然后又把光拿出来。这不仅对物理学非常有意思，对量子通信也很有趣，因为光不是很容易被‘捕获’的，如果你想以可控的方式将其传输到其他地方，它通常会丢失。”

图源：Veer

这项工作利用了电磁感应透明（EIT）技术，在这种技术中，原子可以作为存储设备来捕获和映射光脉冲。入射光脉冲被捕获并相干映射，以产生存储介质的集体激发，形成强耦合的光-物质准粒子，即暗态极化子（DSPs）。由于这一过程是可逆的，使用控制光束可以打开和关闭存储介质的透明度，从而从介质中存储和读取光。

图1 铷-87原子低温真空预冷实验

图源：Windpassinger group

搭建如图2所示的实验系统，通过激光照射在磁光阱（MOT）中的冷87Rb原子，并通过两束反向传播的810nm圆偏振光，把它们转移到一个红色失谐的光学晶格中。强耦合通常需要光束的紧密聚焦，但有限的瑞利范围会导致耦合距离短，所以采用在准一维波导中（或附近）捕获纵向延伸的原子样品来避免，如空芯光子晶体光纤（HC-PCF）。沿着晶格轴宽度为1.2mm的俘获原子系综，可以通过相互去谐晶格束之间的频率而传输到HC-PCF中。探测光束（Ωp）和控制光束（Ωc）在分色镜处与晶格光束重叠，所有光束都仔细地耦合到HC-PCF的基模上。