一项发表在《自然・物理》上的新研究，来自英国剑桥大学卡文迪什实验室的科学家们，利用半导体量子点内的原子，创建了一个功能性的量子寄存器。这不仅是量子技术领域的一大进步，更为量子网络的发展提供了关键技术支持。
量子网络需要稳定、可扩展且多功能的量子节点。而量子点，这种具有独特光学和电子特性的纳米级物体，早已在显示屏幕和医学成像等领域得到应用。但要在量子通信中发挥作用，它们需要的不仅仅是单光子发射能力，更需要能够与光子互动并本地存储量子信息的稳定量子比特。
新研究利用量子点中原子的固有自旋，构建了一个能长时间存储信息的多体量子寄存器。剑桥团队与林茨大学的同事合作，成功将 13000 个核自旋制备成一种称为 '暗态' 的集体纠缠态。这种暗态减少了与环境的相互作用，从而实现了更好的相干性和稳定性，作为量子寄存器的逻辑 '零' 态。他们还引入了一个 '一' 态，即单个核磁子激发态，这种激发态代表了一个涉及单个核自旋翻转的相干波状激发，穿过核集合体。这两个态共同实现了量子信息的写入、存储、检索和高保真度读出。
研究人员通过完整的操作周期演示了这一过程，实现了近 69% 的存储保真度和超过 130 微秒的相干时间。这对于量子点作为可扩展量子节点来说，是一个重大突破。
研究团队表示，他们计划通过改进控制技术，将量子寄存器存储信息的时间延长到数十毫秒。这将使量子点适合用作量子中继器中的中间量子存储器，而量子中继器是连接远程量子计算机的关键组件。
这项研究不仅展示了量子点在量子网络中的潜力，还为探索新的多体物理和量子现象提供了一个强大平台。
参考文献：
Martin Hayhurst Appel et al, A many-body quantum register for a spin qubit, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-024-02746-z
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