拉曼量子記憶體突破傳統限制，展現接近完美效能
為利用量子力學原理突破經典資訊極限，物理學家過去 10 年開發多項技術，其中，量子記憶體被視為儲存光子、其他物理載子內量子資訊的潛力股設備。最近量子資訊儲存領域取得重大突破，物理學家成功實現高效率高保真、低噪聲的寬頻量子儲存新技術。
量子記憶體（quantum memory）做為儲存量子資訊的單元，是實現量子通訊網路、量子運算與量子中繼的核心設備，其效能直接決定量子資訊處理效率與可靠性，必須同時具備高效率和高保真度，或者說它們應能存儲、檢索大部分輸入的量子訊息（通常超過 90%），並確保恢復狀態與原始狀態匹配。
然而先前提出的多數量子記憶體，在提升儲存效率同時往往產生隨機波動，放大系統中的四波混頻（FWM）噪聲，反過來導致量子態失真、降低系統保真度，抑制噪聲又會導致效率降低，嚴重限制高頻寬、單光子層級的實用化進程，如何在保持高效率的同時有效抑制噪聲，成為量子資訊領域長期未解關鍵難題。
為打破此僵局，中國上海交通大學物理與天文學院講席教授張衛平團隊從光與原子相互作用的基本機制出發，最近提出「拉曼量子記憶體」新方法，於 60 MHz 頻寬下實現 94.6% 儲存效率和 98.91% 量子保真度，雜訊低至 0.026 光子/脈衝，信噪比高達 38.8，噪聲-效率比僅 0.028，是高頻寬存儲系統首次可突破 90%。
論文中，研究人員介紹一種自適應控制量子記憶體的精確技術，首次揭示光脈衝時域波形與原子自旋波空間分布之間的漢克爾時空轉換映射關係，團隊提出並以實驗驗證一種智慧光控自旋波壓縮策略，透過改善控制光脈衝的時域形狀，使激發出的自旋波在空間高度局域化，從而在不增加雜訊前提下明顯提升儲存效率與保真度。
團隊採用差分進化演算法對控制光脈衝進行智慧最佳化，在熱原子銣（Rb87）氣體實現對 17 奈秒光脈衝的高效儲存與讀取。
此成果不僅首在寬頻條件實現「近完美」量子儲存性能，也為高速量子通訊網路、量子中繼器、連續變數量子資訊系統提供關鍵技術支援，有望大幅提升量子金鑰分發（QKD）系統的傳輸速率與距離，未來在 500 公里以上量子通訊鏈路具重要應用潛力。
（首圖為示意圖，來源：AI 生成）