新型量子存储器可以解决数据长期存储的问题

（文章来源：百家号）
       物理学家设计了一种3-D量子存储器，解决了实现长存储时间和快速读出时间之间的权衡，同时保持了紧凑的形式。新存储器在量子计算，量子通信和其他技术中具有潜在的应用。慕尼黑工业大学Walther-Meissner-Institut和德国慕尼黑纳米系统计划（NIM）的物理学家Edwar Xie和共同作者在最近一期“应用物理快报”上发表了一篇关于新三维量子记忆的论文。。

“由于量子信息非常脆弱，它需要快速处理或保存在合适的存储中。这两个要求通常是相互矛盾的，”谢告诉Phys.org。“我们工作的最大意义在于它展示了如何构建一个能够快速访问存储的量子信息，实现快速处理以及长存储时间的设备。”

任何类型的量子技术面临的最大挑战之一是增加量子位生存期，而在量子存储器方面，3-D器件提供最长的相干时间，最长可达几毫秒。在这些存储器中，量子比特存储在3-D微波波导腔中，其缓慢的衰减时间使得长的量子位存储时间成为可能。然而，在这些器件中发生折衷，因为快速读出时间要求腔体衰减很快。

以前，研究人员已经通过各种方式解决了这种权衡问题，例如通过物理分离存储和读出单元。然而，对于单独的单元，与2-D存储器相比，设备变得相对大且笨重，导致可扩展性的问题。

为了同时实现长存储时间，快速读出时间和小占地面积，在新研究中，研究人员利用了三维腔体的多模结构。在这种方法中，研究人员使用天线将量子比特耦合到单个3-D微波腔的两种不同模式，这比使用两个完全独立的单元要紧凑得多。他们设计了腔体，使得存储器模式的品质因数比读出模式的品质因数大100倍，这导致存储器模式的缓慢衰减和读出模式的快速衰减。

由于这种耦合，研究人员证明了量子比特状态可以在比存储时间短100倍的时间尺度上读出。此外，模拟显示更精确的天线定位可以将读出和存储时间之间的比率扩展到25,000。对于具有圆柱形3-D腔的量子存储器，该值将明显优于当前报告的最高比率7300。

在未来，研究人员计划进一步改进存储器，例如通过添加更多量子比特来扩大规模，将量子比特耦合到更高腔模式，以及使存储器能够存储猫状态（两个宏观状态的叠加），在连续可变量子计算中具有潜在的应用。

“这种紧凑型3-D量子存储器的一个潜在应用在于模拟量子模拟领域，其中工程量子电路，如量子比特，模仿原子，”谢说。“由于其紧凑的尺寸和宽松的布线要求，我们的三维量子存储平台特别适用于构建人造原子链以模拟分子。这里，链的一个单元由一个单独的三维腔组成。一个量子比特，一个用于中间信息存储的存储模式和一个用于快速信息检索的读出模式。可以用另一个量子比特实现与相邻小区的耦合。