鑽石量子記憶體　不失真的量子訊息鏈

編譯／高晟鈞

相信大家小時候都玩過一個名為紙杯傳話的遊戲，兩個紙杯透過一條線連著，由第一位小朋友將題目傳給最後一位。而通常，最後一位小孩回答的答案通常都與題目大相逕庭，而這種狀況在量子世界中也很常發生。

量子位元，無論是以光子、電子、原子或任何形式傳導時，都會受到環境影響，導致其失去量子特性並導致訊息失真。因此，如何在多個量子系統中有效、且穩定的傳遞訊息十分重要。

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量子互聯網的限制

當今的量子晶片包含大約100個量子位元，然而，製造一台具備完整功能的量子電腦需要數千甚至數十億的量子位元。而想要創建真正的全球量子互聯網，則需要從晶片、量子感測器到量子衛星的共同串聯才有可能實現。

然而，量子系統卻無法與現有技術相連。如今用於網路傳輸與連接設備的系統，都是基於電子位元（Bit）而設計的，而這些技術在量子網路中不起作用。

量子中繼器

量子中繼器的原理與訊號放大器類似，透過將傳輸距離劃分地更細微，來減少訊號傳輸過程的損失。然而，目前仍然沒有人成功製造出功能完整的量子中繼器。

量子中繼器的原理牽扯到一種名為「糾纏量子位元」的型態。透過量子糾纏的性質，量子位元可以無視距離影響糾纏態中另一位元的狀態，並跳過沿著光纖電纜傳遞訊息的物理過程，進而消除資訊遺失的風險。

為了保留糾纏態性質，量子中繼器需要一種儲存量子位元的方法──本質上就是一個記憶體。而鑽石中的矽原子空位中心，便是一個特別有吸引力的量子記憶體選擇。

量子記憶體成真

他們設計了一個被奈米光子光學腔體包圍的光波導（一種在所需方向引導光的結構），使光子與矽原子強烈相互作用，並將其量子態傳遞給該原子。

這項工程工作包括現場定制鑽石生長、開發可擴展的矽奈米光子中介層（一種融合光子和電子功能的晶片）來控制矽空位量子位元。最後將所有組件整合到一個系統中，該系統可以冷卻到長期儲存儲存所需的低溫。目前系統有兩個記憶體模組，每個模組能夠容納八個光學量子位元。

該研究是世界上第一個在光纖上展示奈米光子量子記憶體相互作用的研究，包括效率、保真度、可擴展性也都取得了最佳的成績。

資料來源:Phys.org

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