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基态气相单元量子存储器中的光子存储
具有暖原子的量子网络节点
来自单光子源（下图）的光粒子存储在蒸气室（上图）中。同时发射的第二光子由探测器（右）显示，该探测器触发控制激光脉冲，从而启动存储过程。（图片：巴塞尔大学物理系）
单光子是量子信息的理想载体，特别是因为它们速度快，几乎不与环境或彼此相互作用，而且用于其分布的大规模基础设施已经广泛可用。
现在，在网络真正实现量子化之前，需要适合单光子的量子存储器。从缓冲通信到同步处理器操作，一切都需要它。理想情况下，这种存储器应该是快速、高效和简单的，在室温附近运行，而不需要低温或超高真空等复杂技术。
在最近的一项研究中，巴塞尔大学的研究人员与Philipp Treutlein教授合作开发了一种基于玻璃细胞内原子气体的量子存储器。
原子不必经过特别冷却，这使得存储器易于制造，而且用途广泛，甚至适用于卫星应用。此外，研究人员还实现了一个单光子源，可以测试量子存储器的质量和存储时间。他们的研究结果最近发表在科学期刊PRX Quantum上。
“在我们的工作中，我们演示了在室温平台中以高带宽存储和检索单光子，该平台由基于自发参数下变频（SPDC）的单光子源和热原子蒸气中的匹配量子存储器组成。”研究提到。
蒸气室中的暖原子
“在过去的二十年里，人们一直在研究蒸气室中的暖原子是否适合量子存储器，”博士生吉安尼·布瑟（Gianni Buser）说。“然而，通常使用的是衰减的激光束，因此也使用了经典光。”在经典光中，在一定时间内撞击蒸气室的光子数量遵循统计分布；平均来说，它是一个光子，但有时可能是两个、三个或没有。
适时激活量子存储器
为了用“量子光”测试量子存储器——也就是说，总是精确的一个光子——特劳特莱恩和他的同事开发了一种专用的单光子源，一次只发射一个光子。发生这种情况的那一刻会被第二个光子所预示，它总是与第一个光子同时发出。这允许量子存储器在适当的时刻被激活。
然后，单光子被引导到量子存储器中，在控制激光束的帮助下，光子使超过10亿个铷原子呈现出两种可能的原子能级的所谓叠加状态。
光子本身在这个过程中消失，但其中包含的信息被转换为原子的叠加状态。控制激光器的一个短脉冲可以在一定的存储时间后读出该信息，并将其转换回光子。
减少读出噪声
Treutlein实验室的另一位博士生Roberto Mottola解释道：“到目前为止，一个关键点是噪声——在读出过程中产生的额外光，可能会影响光子的质量。”通过一些技巧，物理学家们能够充分降低噪声，从而在几百纳秒的存储时间之后，单光子质量仍然很高。
Treutlein说：“这些存储时间不是很长，我们实际上没有为这项研究优化它们，但现在它们已经比存储的单光子脉冲的持续时间长了100多倍。”这意味着巴塞尔研究人员开发的量子存储器已经可以用于有趣的应用。例如，它可以同步随机产生的单个光子，然后可以用于各种量子信息应用。
研究的特点
研究人员报道了在基态原子气室量子存储器中存储和检索单个光子的情况。他们的存储方案通过利用原子超精细结构中的极化选择规则以及在比激发态的辐射衰减率高得多的带宽下工作来抑制读出噪声。
他们将原子存储器与基于腔增强自发参数下转换（SPDC）的单光子源连接，与早期工作相比，他们为此目的构建了具有改进的操作和性能特性的SPDC。
来自该源的单个光子被存储在原子存储器中，并利用非经典光子数统计数据进行检索，从而打开了许多新的领域
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