在量子通信网络中，信息是通过单个光子传输的。为了增加网络覆盖范围，需要可以临时存储并重新发送量子信息的节点，其中单光子源和量子存储器是基础组成部分。
目前，NV色心和离子阱是主要的量子网络节点技术。最近，巴塞尔大学PhilippTreutlein团队开发了一种全新的量子存储器，首次演示基态原子气室存储器中的单光子存储、检索，有助于实现未来的高带宽运行室温量子网络。
该存储器基于玻璃气室内的原子气体：易于生产和通用，并且可以在室温环境中使用；此外，研究人员已经开发了一种能够测试量子存储器的质量和存储时间的单光子源。
相关研究结果以《基态原子气室量子存储器中的单光子存储》为题发表在科学杂志PRXQuantum上[1]。
来自单光子源（下）的光子存储在原子气室（上）中。探测器（右）显示同时发射的第二个光子，该探测器触发控制激光脉冲，从而启动存储过程。
参与该实验的博士生GianniBuser说[2]：“在过去的二十年里，学界一直在研究气室中暖原子对量子存储器的适用性。然而，通常会使用衰减的激光束——因此也使用经典光。在经典光下，一定时期内撞击气室的光子数服从统计分布；平均而言，它是一个光子，但有时可能是两个、三个或没有。”
为了用“量子光”(始终只有一个光子)测试量子存储器，Treutlein和同事开发了一种专用的单光子源，能够一次只发射一个光子。第二个光子预示着这一时刻的到来，它总是与第一个光子同时发出。这使得量子存储器在正确的时刻被激活。
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，这个光子使十亿多个铷原子呈现出原子的两个可能能级的叠加态。光子本身在这个过程中消失了，但其中包含的信息被转化为原子的叠加态。最后，控制激光器的短暂脉冲可以在一定存储时间后读出该信息，并将其转换回光子。
（a）实验基本方案。（b）光子源的能级。通过在周期极化KTiOPO4晶体(PPKTP)中自发参数下转换，将nm泵浦光子转换为nm信号和nm惰性光子。（c）原子存储器的能级方案。光子可以通过激发态
e1和
e2存储为初始制备基态
g和存储态
s之间的自旋波激发。
实验设置：ECDL，外腔二极管激光器；PBS，偏振分束器；IF，干涉滤光片；SPAD，单光子雪崩二极管；DL，60米光纤延迟线；DDG，数字延迟发生器；AWG，任意波形发生器；SOA，半导体光放大器（省略光纤连接）；DM，二向色镜；EOM，电光调制器（省略光纤连接）；TA，锥形放大器；CP，方解石偏光棱镜；λ/2，半波片；λ/4，四分之一波片；HBT，HanburyBrown和Twiss配置的单光子探测器；M，用于监控控制的光纤连接。标签S、P和C分别表示信号、泵浦和控制到存储器的光纤连接。
Treutlein实验室的另一名博士生RobertoMottola解释说：“到目前为止，实验的关键影响因素是噪声：在读出过程中产生的额外光可能会损害光子的质量。需要使用一些技巧以充分降低这种噪声，以便在存储时间几百纳秒后，单光子质量仍可以保持很高。”
对此，Treutlein表示，“尽管我们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一百倍以上。”
这意味着巴塞尔研究人员开发的量子存储器已经可以进行应用。例如，它可以同步随机产生的单光子，然后将其用于各种量子信息应用。
参考链接：
[1]