核频率梳的插图，显示单光子在对数刻度上从深色到亮色的可视化，颜色较亮表示存储的光子被检索的可能性更高的时间实例。对于较高的能量间隔，这些实例发生得更近，对于较低的能量间隔，它们在时间上更加分散。图片来源：DESY/Sven Velten

光是一种极好的信息载体，不仅用于经典通信技术，而且越来越多地用于量子应用，如量子网络和计算。然而，与处理常见的电子信号相比，处理光信号要复杂得多。

包括德克萨斯农工大学物理与天文学系杰出教授奥尔加·科恰罗夫斯卡娅（Olga Kocharovskaya）博士在内的一个国际研究团队展示了一种在单光子水平上存储和释放X射线脉冲的新方法 - 这是Kocharovskaya小组在早期理论工作中首次提出的概念 - 可能适用于未来的X射线量子技术。

该团队的工作由耶拿亥姆霍兹研究所教授Ralf Röhlsberger博士领导，并在汉堡的德国电子同步子（DESY）和法国的欧洲同步辐射设施使用同步加速器源PETRA III进行，首次实现了硬X射线范围内的量子存储器。

他们的研究结果发表在《科学进展》杂志上。

“量子内存是量子网络不可或缺的元素，提供量子信息的存储和检索，”德克萨斯A&M量子科学与工程研究所成员Kocharovskaya说。

“光子是量子信息的快速而强大的载体，但如果以后需要这些信息，很难使它们保持静止。一种方便的方法是将这些信息以偏振或自旋波的形式印入具有长相干时间的准静止介质中，然后通过重新发射原始光子将其释放回来。

Kocharovskaya说，已经建立了几种量子存储器协议，但仅限于光学光子和原子集合。她补充说，使用核系综而不是原子系综，即使在高固态密度和室温下也能提供更长的内存时间。

这些较长的记忆时间是由于原子核尺寸小，核跃迁对外部场扰动的敏感性较低直接导致的。结合高频光子的紧密聚焦，这些方法可能导致长寿命宽带紧凑固态量子存储器的发展。

“将光学/原子直接扩展到X射线/核协议被证明是具有挑战性或不可能的，”Kocharovskaya小组的博士后研究员Xiwen Zhang博士解释说，他参与了实验并共同撰写了该团队的论文。“因此，在我们早期的工作中提出了一种新的协议。

根据Zhang的说法，该团队的新协议背后的想法非常简单，至少在量子基础方面是这样。从本质上讲，一组移动的核吸收体由于运动引起的多普勒频移而在吸收光谱中形成一个频率梳。

由于不同光谱分量之间的相长干涉，光谱与被这组核目标吸收的梳子相匹配的短脉冲将以由反向多普勒频移确定的延迟重新发射。

“这个想法在我们目前的实验中成功实现，该实验包括一个静止的吸收器和六个同步移动的吸收器，这些吸收器形成了一个七齿频率梳，”张补充说。

Zhang说，核相干寿命是决定这种量子存储器最大存储时间的限制因素。例如，使用比铁57同位素寿命更长的异构体，该团队为目前的研究选择将导致更长的记忆时间。

无论如何，他指出，在不丢失信息的情况下在单光子水平上工作使核频率梳协议有资格成为量子存储器，这在X射线能量中是第一次。

该团队计划的下一步包括按需释放存储的光子波包，这可能导致实现不同硬X射线光子之间的纠缠——量子信息处理的主要资源。

该团队的研究还强调了将光量子技术扩展到短波长范围的潜力，由于在大量高频振荡上平均波动，该波长范围本质上不那么“嘈杂”。

Kocharovskaya说，具有挑战性的可能性很有趣，她和她的合作者期待继续探索他们的可调谐、强大和高度通用的平台的潜力，以在不久的将来推进X射线能量的量子光学领域。

更多信息：Sven Velten 等人，硬 X 射线光子波包的核量子存储器，《科学进展》（2024 年）。DOI： 10.1126/sciadv.adn9825

期刊信息： Science Advances