科大物理學家助開創量子記憶體新紀錄 為實現量子電腦應用推進一步

2019-04-28

香港科技大學(科大)及華南師範大學(華師)的研究團隊,創出光子量子記憶體新紀錄,為實現量子電腦應用推進一步。

正如傳統電腦中的記憶體,量子記憶體是量子電腦中不可或缺的組件。量子電腦是建基於量子力學規律的新一代數據處理器,不但能克服傳統電腦的限制,其強大計算能力更有望拓闊基本科學的界限,譬如協助研發新藥物、破解天文學謎思,或開發更準確的預測系統與優化計劃等。有別於傳統電腦的計算單位「比特」(bits),量子電腦以「量子比特」(qubits)進行計算,每個單位可同時並行處理0和1,原則上可較傳統電腦更快及能處理更複雜的運算。

光子量子記憶體可以儲存並讀取飛行單光子的量子態。但要製備高效能的量子記憶體,至今仍舊是一個重大的挑戰,因為這需要一個高效的光子-物質的量子接口。此外,由於單一光子的能量非常微弱,極容易被雜亂的背景光所蓋過。因此量子記憶體的效能長期被局限於百分之五十以下 - 低於可讓量子記憶體作實際應用的門檻數值。

如今,由科大物理學系及蒙民偉納米科技研究所杜勝望教授、科大博士畢業生及現任華師教授張善超、前科大博士後及現任華師教授顏輝、以及來自華師與南京大學的朱詩亮教授所帶領的研究團隊,首次突破瓶頸,將單光子量子記憶體的效能提升至85%以上、保真度超過99%。

團隊利用激光和磁場將數以億計的銣原子捕捉到一個毛髮狀的窄小空間之中,並將這些原子冷卻至接近絕對零度(約0.00001 K),從而創造了一個量子記憶體。團隊還巧妙地將單個光子與光學噪音區分開來。是次研究成果使量子電腦『大眾化』這夢想邁前一步。這種量子記憶體還可被用作量子網絡的中繼器,為新一代量子互聯網奠定基礎。

杜教授表示:「在這項研究中,我們將量子比特編碼到單個飛行光子的偏振態上,並將之儲存到利用激光冷卻了的原子團中。雖然是次實驗只展示了對單一量子比特的儲存操作,但此發現卻為未來的量子技術與工程帶來新的可能。」

有關研究結果近日成為權威期刊《自然光子學》的封面故事。這也是杜教授所領導的原子和量子光學實驗室,自2011年起所開展一系列量子儲存研究中的最新成果。

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(左起)張善超教授、杜勝望教授、朱詩亮教授及顏輝教授
(左起)張善超教授、杜勝望教授、朱詩亮教授及顏輝教授
單光子量子記憶體的實驗設計及能級示意圖。
單光子量子記憶體的實驗設計及能級示意圖。
有關研究結果近日成為權威期刊《自然光子學》的封面故事。
有關研究結果近日成為權威期刊《自然光子學》的封面故事。