研究人員能夠将光中的資訊轉化為量子鼓内膜的振動。圖檔來源：朱利安·羅賓遜-泰特
哥本哈根大學尼爾斯·玻爾研究所（Niels Bohr Institute）的研究人員開發了一種建立量子存儲器的新方法：一個小鼓可以存儲在聲波振動中用光發送的資料，然後在需要時用新的光源轉發資料。結果表明，量子資料的機械存儲器可能是為具有令人難以置信的速度的超安全網際網路鋪平道路的政策。
該研究發表在《實體評論快報》雜志上。
就在尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）的舊辦公室下面是一個地下室，散落的桌子上擺滿了小鏡子、雷射器和各種類型的裝置，這些裝置由電線網和成堆的膠帶連接配接起來。看起來一個孩子的項目走得太遠了，他們的父母徒勞地試圖讓他們清理。
雖然未經訓練的眼睛很難辨識這些桌子實際上是一系列世界領先的研究項目的所在地，但重要的事情發生在如此小的世界中，甚至牛頓定律都不适用。這就是尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）的量子實體繼承人正在開發最前沿的量子技術的地方。
其中一個項目——至少對實體學家來說——因為肉眼可見的小玩意兒能夠實作量子态。量子鼓是一種由陶瓷、玻璃狀材料制成的小膜，其邊緣以整齊的圖案散布着孔。
當鼓被雷射擊打時，它開始振動，并且振動得如此之快，而且沒有幹擾，量子力學開始發揮作用。這一特性早已認證開辟許多量子技術的可能性而引起轟動。
現在，該研究所各個量子領域的合作已經證明，鼓也可以在未來的量子計算機網絡中發揮關鍵作用。像現代煉金術士一樣，研究人員通過将光信号轉換為聲波振動，創造了一種新形式的“量子記憶”。
在他們剛剛發表的研究文章中，研究人員已經證明，來自量子計算機的量子資料以光信号的形式發射 - 例如，通過已經用于高速網際網路連接配接的光纖電纜類型 - 可以存儲為鼓中的振動，然後轉發。
圖檔來源：哥本哈根大學
先前的實驗已經向研究人員證明，膜可以保持在脆弱的量子态。在此基礎上，他們認為鼓應該能夠在不“退相幹”的情況下接收和傳輸量子資料，即在量子計算機準備就緒時失去其量子态。
“這為量子計算機能夠真正做我們期望的事情的那一天開辟了很好的前景。量子存儲器可能是遠距離發送量子資訊的基礎。是以，我們開發的是具有量子速度和量子安全性的未來網際網路基礎的關鍵部分，“尼爾斯玻爾研究所的博士後Mads Bjerregaard Kristensen說，他是新研究文章的主要作者。
超快、超安全
當在兩台量子計算機之間遠距離傳輸資訊時，或者在量子網際網路中的許多計算機之間傳輸資訊時，信号将很快被噪聲淹沒。光纜中的噪聲量随着光纜的長度呈指數級增加。最終，資料無法再被解碼。
經典的網際網路和其他主要計算機網絡通過放大傳輸路線沿線小站的信号來解決這一噪聲問題。但是，對于量子計算機來說，要應用類似的方法，它們必須首先将資料轉換為普通的二進制數系統，例如普通計算機使用的二進制數系統。
這是不行的。這樣做會減慢網絡速度并使其容易受到網絡攻擊，因為在量子計算機的未來中，經典資料保護的幾率非常低。
“相反，我們希望量子鼓能夠承擔這項任務。它已經顯示出巨大的前景，因為它非常适合接收和重新發送來自量子計算機的信号。是以，我們的目标是通過量子鼓接收和重新傳輸信号的站點擴充量子計算機之間的連接配接，進而避免噪聲，同時将資料保持在量子狀态，“克裡斯滕森說。
“在這樣做的過程中，量子計算機的速度和優勢，例如，與某些複雜的計算有關，将擴充到網絡和網際網路，因為它們将通過利用量子态特有的疊加和糾纏等特性來實作。
Mads Bjerregaard Kristensen是這項新研究背後的主要力量。圖檔來源：哥本哈根大學
如果成功，這些空間站還将能夠擴充量子安全連接配接，其量子代碼也可以通過鼓延長。在未來的量子網際網路中，這些安全信号可以跨越各種距離發送——無論是在量子網絡周圍還是跨越大西洋。
靈活、實用且可能具有開創性的量子RAM
正在其他地方進行研究，以替代一種替代方法，即攜帶資料的光源指向原子系統并暫時移動原子中的電子，但該方法有其局限性。
“你能用原子系統做的事情是有限的，因為我們無法設計原子或它們可以與我們互相作用的光的頻率。我們相對“大”的機械系統提供了更大的靈活性。我們可以修補和調整，這樣，如果新發現改變了遊戲規則，量子鼓很有可能被适應，“該研究文章的合著者Albert Schliesser教授解釋說。
“無論好壞，我們作為研究人員的能力主要決定了這一切的運作方式的極限，”他指出。
鼓是機械量子存儲器的最新和最嚴肅的演繹，因為它結合了許多特性：鼓具有低信号損耗，即資料信号的強度得到很好的保留。它還具有能夠處理所有光頻率的巨大優勢，包括建構現代網際網路的光纖光纜中使用的頻率。
量子鼓也很友善，因為可以在需要時存儲和讀取資料。研究人員已經實作了創紀錄的23毫秒記憶體時間，這使得該技術有朝一日更有可能成為量子網絡系統以及量子計算機硬體的建構塊。
“我們很早就開始了這項研究。量子計算和通信仍處于發展的早期階段，但憑借我們獲得的記憶，人們可以推測，量子鼓有一天會被用作一種量子RAM，一種量子資訊的臨時工作存儲器。這将是開創性的，“教授說。
更多資訊：Mads Bjerregaard Kristensen 等人，用于光的長壽命和高效光機械存儲器，實體評論快報 （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.100802
期刊資訊： Physical Review Letters