量子通讯和量子加密技术已经成为提高通信安全的重要基石。当信息（量子比特，量子计算和量子信息的基本单元）通过光纤中的一个光子在两个对话者之间传输时，量子理论可以确保量子比特的真实性和保密性。但建立远程量子通信系统存在一个主要障碍：传输几百公里后，光子会丢失，信号也因此消失，为此，基于量子存储器的“中继器”由此而生，为使中继器能更好地发挥作用，需要让储存量子信息的时间持续长一点。
通过设法在晶体（"存储器"）中存储一个量子比特20毫秒，日内瓦大学（UNIGE）的一个团队创造了一项世界纪录，并向长距离量子通信网络的发展迈出了重要一步。这项研究可以在《npj量子信息》（npj Quantum Information）期刊上找到，题目为：“Storage of photonic time-bin qubits for up to 20ms in a rare-earth doped crystal”。
论文摘要：“光量子比特的长效量子存储器是实现长距离量子网络和中继器的重要组成部分。将光学状态映射到稀土组合中的相干自旋波是一种特别有前途的量子存储方法。然而，由于所需的自旋波操作引起的读出噪声，在量子水平上实现长时间的存储仍然具有挑战性。在这项工作中，我们应用动态解耦技术和小磁场在151Eu3+:Y2SiO5晶体中实现了20、50和100毫秒的六个时空模式的存储，基于原子频率梳存储器，其中每个时空模式平均包含约一个光子。该存储器的量子相干性是通过存储两个时间段的量子比特20毫秒来验证的，每个量子比特的平均光子数为μin=0.92±0.04，平均存储器输出保真度为F=（85±2）%。在存储器的读出过程中，使用我们开发的一种复合绝热读出脉冲来进行量子比特分析。”
2015年，由日内瓦大学（UNIGE）理学院应用物理系高级讲师Mikael Afzelius领导的团队，成功地将一个由光子携带的量子比特在晶体（"存储器"）中存储了0.5毫秒。这个过程允许光子在消失之前将其量子状态转移到晶体的原子中。然而，这一现象并没有持续足够长的时间，以至于无法构建更大的存储器网络，这是发展长距离量子通信的先决条件。
今天，在欧洲量子旗舰计划（ European Quantum Flagship program）的框架内，Mikael Afzelius的团队已经成功地将这个持续时间大大增加，将一个量子比特存储了20毫秒。"这是一个基于固态系统的量子存储器的世界纪录，在这种情况下是一个晶体。我们甚至成功地达到了100毫秒的大关，而且保真度损失很小，"研究人员兴奋地说。正如他们以前的工作一样，UNIGE的科学家们使用了掺杂了某些被称为 "稀土"（本例中为铕）的金属的晶体，它们能够吸收光线，然后重新发光。这些晶体被保持在-273.15°C（绝对零度），因为超过这个温度10°C，晶体的热搅拌会破坏原子的纠缠。
"我们在晶体上施加一个千分之一特斯拉的小磁场，并使用动态去耦方法，这包括向晶体发送强烈的无线电频率。这些技术的效果是使稀土离子与环境的扰动脱钩，并将我们迄今所知的存储性能提高了近40倍，"UNIGE应用物理系的博士后Antonio Ortu解释说。这项研究的结果构成了长距离量子通信网络发展的一个重大进展。它们还将光子携带的量子状态的存储带到了人类可以估计的时间尺度。
然而，仍有几个挑战需要应对。"现在的挑战是进一步延长存储时间。从理论上讲，只要增加晶体暴露在无线电频率下的时间就足够了，但就目前而言，在更长的时间内实施的技术障碍使我们无法超过100毫秒。然而，可以肯定的是，这些技术困难可以得到解决，"Mikael Afzelius说。
科学家们还必须找到设计能够同时存储多个光子的存储器的方法，从而拥有能够保证保密性的'纠缠'光子。研究员总结说："我们的目标是开发一个在所有这些方面都表现良好并能在十年内上市的系统。"
[1].https://www.sciencedaily.com/releases/2022/03/220322111258.htm
[2].http://www.stdaily.com/index/kejixinwen/202203/f12a586d17a24e5d96bf7777f5fd50a2.shtml
[3].https://www.nature.com/articles/s41534-022-00541-3
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