在量子计算机中，量子存储器即是传统计算机存储器的量子力学版本。传统存储器将信息存储为由“1”和“0”表示的二进制状态，而量子存储器存储的是量子状态。这些量子状态保存了有效计算信息，称为量子位元。与传统计算机的存储器不同，量子存储器中的状态处于量子叠加状态，使其在量子算法中比传统存储器更实用且灵活。

传统光信号利用改变光的振幅来传输信息。因此，我们能用计算机硬盘来存储光的信息。然而，在量子信息的情况下，光量子存储器是一种获取光子并将其编码为信息的装置，信息由光的振幅和相位编码。对于一些信号，我们不能同时测量光的振幅和相位。为了存储这样的量子信息，我们必须要在不测量的情况下，存储光的信息。一旦测量，信息就丢失了。光量子存储器将光的状态记录到原子云(atomic cloud)中。当原子吸收了光，原子就保有了光量子的一切信息。

通过利用光子的量子状态对数据进行编码来传输信息的光量子网络的前景，最近一直在看好，目前市场上出现了一些商业化的量子光子学产品。然而，作为实现广泛的光量子网络的关键技术之一的光量子存储器仍然是一个症结所在。迄今为止开发的设备相当庞大，而且效率低下，无法在芯片级的量子设备中运行。

现在，由加州理工学院的一个研究小组领导的一个国际研究小组已经成功地创造了一个光学量子存储器设备，比以前的都小了1000多倍。该设备不仅比之前的任何东西都要小得多，确保适合于片上设备，而且能够按需检索存储的数据。

该研究成果论文发表在《科学》杂志上，来自加州理工学院、美国国家标准与技术研究所(NIST)和意大利维罗纳大学的研究人员，合作开发了一个含有钕的纳米级空腔。该空腔反过来又创造了一个晶体空腔，在单光子水平上增强了光和空腔中的钕之间的相互作用。

论文第一作者、钟天(Tian Zhong)为加州理工学院华生(T. J. Watson)应用物理实验室研究员。该设备通过将光子存储在稀土(或镧系)钕原子的集合体中而运作，这些原子本身被困于正钒酸钇(YVO)晶体中。

研究人员表示说："这个集合体很小，它本身将无法吸收光子。""这就是为什么我们在YVO晶体中制作了一个光腔(谐振器)，它增强了原子和光之间的相互作用，因此原子对光子的吸收变得有效。"

为了储存光子，首先以一种特殊的方式用一连串的激光脉冲来准备原子的集合，以便它们随后的吸收光谱像梳子一样成形。这种准备确保在光子被吸收后，它们会在75纳秒后自动重新发射。

当光子在原子中被吸收时，研究人员应用另一对激光脉冲，可以将再发射延迟10纳秒，这取决于应用脉冲的强度。这使该设备具有按需检索数据的能力。

研究人员开发的设备不仅仅是一个存储设备，而且是一个专门的量子存储设备。为了使该装置具有量子力学特性，光子被存储并被塑造成两个脉冲：早期脉冲和晚期脉冲。从量子力学角度上来讲，光子存在于早期脉冲和晚期脉冲的叠加中。

研究人员能够证明，在光子脉冲被存储后，检索到的光子脉冲的光子波函数(系统的核心量子描述，用于计算某种测量的概率)非常准确地与存储的光子脉冲的波函数相似。这体现为：存储器现在拥有高保真度。

虽然该设备在量子力学方面的实际操作与以前的量子存储器设备的操作方式相似，但这个设备比以前的任何设备都小1000倍。而且，以前的那些设备不具备按需检索的能力。

该设备的关键是使用了纳米腔，使其有可能在一个非常小的体积内存储信息。另外，按需检索是由于该设备非常小，稀土原子和光子之间的相互作用得到了加强。

研究人员总结说："这里展示的纳米腔方案使量子光-物质界面的多功能工程成为可能，并提供了更快和更有效的存储器制备的独特优势。纳米腔的设计使得设想实用的中到大规模的量子存储器成为可能，例如那些实现量子互联网所必需的。"这种操纵原子来存储量子信息的紧凑型设备可能是朝着构建量子互联网迈出的一步，这样的量子互联网可以通过光纤电缆传输极其安全的信息。

研究人员的下一步工作包括使他们的设备更适用于商业用途。例如，目前的制造工艺依赖于离子束研磨，速度很慢。该团队希望找到一个更可扩展的解决方案，并改善该设备的存储时间和存储效率。