邁向“量子U盤”重要一步！

　　據(jù)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)官網(wǎng)4月25日消息，該校郭光燦院士團(tuán)隊在光量子存儲領(lǐng)域取得重要突破。該團(tuán)隊李傳鋒、周宗權(quán)研究組將相干光的存儲時間提升至1小時，大幅度刷新了2013年德國團(tuán)隊光存儲1分鐘的世界紀(jì)錄，向?qū)崿F(xiàn)量子U盤邁出重要一步。該成果4月22日發(fā)表在國際知名期刊《自然·通訊》上。

圖片來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)官網(wǎng)截圖

　　現(xiàn)在光纖網(wǎng)絡(luò)遍布全球，光已成為現(xiàn)代信息傳輸?shù)幕据d體。對光的捕獲及存儲可以幫助人們更有效地利用光場。光速高達(dá)30萬公里每秒，降低光速乃至讓光停留下來是國際學(xué)術(shù)界孜孜以求的目標(biāo)。光的存儲在量子通信領(lǐng)域尤其重要，這是因為基于光量子存儲可以構(gòu)建量子中繼，從而克服信道損耗建立起大尺度量子網(wǎng)絡(luò)。另一種遠(yuǎn)程量子通信的解決方案是量子U盤，即把光子存儲到超長壽命量子存儲器（量子U盤）中，然后通過直接運(yùn)輸量子U盤來傳輸量子信息。考慮到飛機(jī)和高鐵等的速度，量子U盤的光存儲時間需要達(dá)到小時量級。

　　早在1999年，美國哈佛大學(xué)團(tuán)隊利用冷原子氣體把光速降至17米每秒。2013年德國達(dá)姆施塔特大學(xué)團(tuán)隊利用摻鐠硅酸釔晶體使得光停留了1分鐘，創(chuàng)下該領(lǐng)域的世界紀(jì)錄，然而這一光存儲時間仍遠(yuǎn)低于量子U盤的技術(shù)需求。2015年澳大利亞國立大學(xué)團(tuán)隊在一階塞曼效應(yīng)為零（ZEFOZ）磁場下，觀察到摻銪硅酸釔晶體的核自旋相干壽命長達(dá)6小時，讓人們看到了長壽命光存儲的希望。然而由于對該材料的能級結(jié)構(gòu)缺乏了解，至今未能實現(xiàn)長壽命光存儲。

　　李傳鋒、周宗權(quán)研究組長期致力于基于稀土離子摻雜晶體的固態(tài)量子存儲實驗研究。研究組2015年自制光學(xué)拉曼外差探測核磁共振譜儀，專門用于稀土離子摻雜晶體的能級結(jié)構(gòu)分析。依托該儀器，研究組精確刻畫了摻銪硅酸釔晶體光學(xué)躍遷的完整哈密頓量，并在理論上預(yù)測了ZEFOZ磁場下的能級結(jié)構(gòu)[Journal of Luminescence 802,32(2018)]。近期課題組結(jié)合理論預(yù)言首次實驗測定摻銪硅酸釔晶體在ZEFOZ磁場下的完整能級結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，研究組結(jié)合了原子頻率梳（AFC）量子存儲方案以及ZEFOZ技術(shù)，成功實現(xiàn)了光信號的長壽命存儲。實驗中光信號首先被AFC吸收成為銪離子系綜的光學(xué)激發(fā)，接著被轉(zhuǎn)移為自旋激發(fā)，經(jīng)歷一系列自旋保護(hù)脈沖操作后，最終被讀取為光信號，總存儲時間長達(dá)1小時。通過加載相位編碼，實驗證實在經(jīng)歷了1個小時存儲后，光的相位存儲保真度高達(dá)96.4±2.5%。這些結(jié)果表明該裝置具有極強(qiáng)的相干光存儲能力以及用于量子態(tài)存儲的潛力。

　　該工作將光存儲時間從分鐘量級推進(jìn)至小時量級，滿足了量子U盤對光存儲壽命指標(biāo)的基本需求。接下來通過優(yōu)化存儲效率及信噪比，有望實現(xiàn)量子U盤，從而可以基于經(jīng)典運(yùn)輸工具實現(xiàn)量子信息的傳輸，建立一種全新的量子信道。近期的理論研究表明，量子U盤在全球衛(wèi)星量子通信、甚長基線干涉天文測量系統(tǒng)等領(lǐng)域均具有廣泛應(yīng)用。

　　該工作得到審稿人的高度評價：“該成果是一個巨大的成就（a huge achievement）?！薄斑@個工作讓人們等待了很久，2015年澳大利亞國立大學(xué)團(tuán)隊報道了摻銪硅酸釔晶體在ZEFOZ磁場下具有6小時的自旋相干壽命，然而實際的光信號存儲能力至今才終于得到證明（This result was a long time coming,since the ANU group showed in their seminal 2015 paper that the same material used in the current work,Eu:YSO,can maintain spin coherence for 6 hours under a ZEFOZ field and using dynamical decoupling.Actual optical storage in these conditions has proven elusive until now though）?！?/p>

　　存儲方案示意圖，信號光場（probe）被梳狀的原子吸收譜吸收，并被控制光場（control）存儲為自旋激發(fā)，在射頻（RF）場的操控下延長存儲時間，最終讀取為光信號。

讀出光脈沖信號強(qiáng)度與存儲時間的關(guān)系

　　論文第一作者是中科院量子信息重點實驗室博士研究生馬鈺。該工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、安徽省以及中國科學(xué)院的資助。周宗權(quán)得到中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會的資助。

　　論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22706-y