我们通常说的光的存储技术,实际上指的是光盘存储技术,是利用激光在介质上写入并读出信息。这里所要指的光存储技术,是将光本身放在一个“容器”里存储起来,将这个“容器”受控传输,然后再将光有目的地从这个“容器”中取出来。
光的量子信息的受控操纵、存储、以及对其进行检索的能力,对于实现量子通信的发展、以及在量子世界中执行相应的计算机操作至关重要。光学量子存储器对于可伸缩的量子通信网络相当重要,它可以存储和按需检索光携带的量子信息。例如,它们可以代表线性量子计算中量子中继器或工具的重要构建块。
以冷原子样品作为存储介质实现的光量子存储,以其高存储效率和使用寿命而著称。近年来已证明原子团是非常适合存储和检索光学量子信息的介质。使用称为电磁感应透明性(electromagnetically induced transparency,缩写EIT)的技术,可以捕获入射光脉冲并对其进行相干映射以创建存储原子的集体激发。由于该过程在很大程度上是可逆的,因此可以高效再次取回光。
由德国美因茨大学(Universitaet Mainz)的帕特里克·温德帕辛格(Patrick Windpassinger)教授领导的物理学家小组,成功地将光存储在量子存储器中然后进行传输。研究表明,受控的运输过程及其动力学对存储的光的属性影响很小。研究人员使用超冷铷-87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。
如图所示所进行的实验装置,首先将铷-87的原子预冷,然后运输到主测试区域,该区域是定制的真空室。在这个真空室里,原子被冷却到只有百万分之几开尔文温度。
温德帕辛格教授解释这一复杂过程说,“我们可以说是将光存储在一个“手提箱”中,这个“手提箱”是由一团冷原子组成的。我们将“手提箱”移动了一段距离,然后又将光从这个“手提箱”中取出来。这不仅对于基本的物理学而言,而且对于量子通信都非常有趣,因为光不是很容易存储然后捕获的,如果想以可控的方式将其传输到其他地方,它通常最终会丢失。”
温德帕辛格教授及其同事成功地将这种存储的光在大于存储介质大小的距离上主动控制传输。他们开发了一种技术,可以使冷原子团在由两个激光束产生的“光学传送带”上传送。该方法的优点在于,可以以较高的精确度来运输和定位相对大量的原子,而不会显着损失原子,并且不会意外加热原子。
现在,物理学家已经成功地使用这种方法来传输充当光记忆的原子云,然后可以在其他地方检索存储的信息。
这一研究概念将可扩展到更长的传输距离,并增加存储部分的数量,将允许开发新颖的量子装置,例如光学跑道存储器(optical racetrack memories)或光学量子寄存器(optical quantum registers)。