超國際紀(jì)錄60倍！中科大團隊將光存儲時間提升至1小時，真正實現(xiàn)“把光留住”| 專訪
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“因為光纖傳輸有指數(shù)級的衰減，遠(yuǎn)距離傳輸單光子基本不可能。而量子 U 盤能解決遠(yuǎn)程傳遞單光子的難題，” 說到最近的成果，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)副教授周宗權(quán)告訴 DeepTech。
4 月 22 日，郭光燦院士團隊的李傳鋒、周宗權(quán)等在光量子存儲領(lǐng)域取得重要突破，其將相干光存儲時間提升至 1 小時，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。
這意味著向基于可搬運量子存儲的遠(yuǎn)距離量子通信技術(shù)邁出了重要一步。4 月 22 日，相關(guān)論文以“One-hour coherent optical storage in an atomic frequency comb memory”為題發(fā)表在《自然?通訊》上。
多年來，學(xué)界始終難以建立長壽命的相干光儲存系統(tǒng)
無論是對 “以太” 的著迷還是 “波粒二象性” 的爭論，人類從未停止過對光的探究，也在想著如何改造、利用甚至征服光。
隨著光纖的廣泛使用，光已經(jīng)成為現(xiàn)代信息傳輸?shù)闹匾d體，在時下熱門的 “量子通信” 和 “量子糾纏” 技術(shù)中，光因其優(yōu)良性質(zhì)被很多研究小組選為量子系統(tǒng)的信息載體，光纖也成為其中長距離量子通信技術(shù)的重要通道。
然而，長距離傳輸?shù)墓庑盘枺紝⑻硬婚_一個令人頭疼的問題 —— 長距離傳輸中的信號衰減和失真。量子中繼技術(shù)是一個解決辦法，即在長距離傳輸?shù)闹虚g設(shè)立幾個基于量子存儲器的中繼站，用來克服損耗建立起遠(yuǎn)程的量子糾纏。但是，這樣的做法也因中繼系統(tǒng)太過復(fù)雜目前仍未取得實際應(yīng)用。
如果能夠和電子計算機一樣，建立起長期穩(wěn)定可靠的光量子儲存系統(tǒng)，一切問題就迎刃而解了。如此一來，我們就能通過傳遞光量子存儲的實體來傳遞量子信息，又或者建立配置有光量子存儲系統(tǒng)的衛(wèi)星來實現(xiàn)全球范圍的量子通信。
光量子存儲看上去很簡單，就是將光存儲起來，然后再發(fā)出去就好了，那我們用一塊太陽能電池和 LED 就能實現(xiàn)了么？比如說《國產(chǎn)凌凌漆》中的太陽能手電筒。
其實不然，太陽能電池存儲的只是光的能量，并不能加載量子信息。而可以加載量子信息的是光的位相，如果位相發(fā)生變化，信息就會失真，存儲也會失敗。相干光存儲，指的是可以存儲光位相的存儲器，當(dāng)入射光場弱至單個光子水平時，它就是光量子存儲器。
只有讓這一存儲的時長達(dá)到秒級以上，才能逐漸使得這樣的技術(shù)投入應(yīng)用，這跟把電能存儲在電容器、或電池中是一樣的。
科學(xué)家們想了很多辦法，最直接的就是將光變慢，然后將其禁錮起來。1999 年，哈佛大學(xué)團隊使用外加磁場的冷原子氣體，把光速降到 17 米每秒，相關(guān)論文登上 Nature 封面，封面圖內(nèi)容是一輛自行車在和光賽跑。
接著，在 2001 年的實驗中，他們將光信號存儲起來起來，束縛在一定空間內(nèi)。不過，該實驗方案的光存儲時間只在幾千分之一秒量級，與長期存儲還相去甚遠(yuǎn)。
時間來到 2013 年，德國達(dá)姆施塔特大學(xué)團隊采用基于摻鐠硅酸釔晶體（Pr3+:Y2SiO5）系統(tǒng)，利用其電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)，建立了光 - 自旋激發(fā)、并將光存儲在其中，最終停留了 1 分鐘，這創(chuàng)下了當(dāng)時該領(lǐng)域的世界紀(jì)錄。
簡單來說，德國團隊建立了一個光學(xué)的 “冰箱”，這個冰箱就是摻鐠硅酸釔晶體（Pr3+:Y2SiO5）。
整個過程簡單來說就是三步走，第一步把 “冰箱門” 打開，第二步把光放進去，第三步把 “冰箱門” 關(guān)上。其中的磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)，是控制 “冰箱門” 的關(guān)鍵，有此效應(yīng)的介質(zhì)在特定條件下，不會吸收某特定頻率的光。
實驗中，該團隊把一束控制激光射向晶體，觸發(fā)其電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)，使晶體不會吸收某些頻率的光，也就是會變得透明。
隨后，他們用特定頻率的第二束光承載信息，照射透明的晶體，接著關(guān)閉控制激光束，讓晶體變回不透明狀。這就將光存儲在晶體之中，其中光信號的能量被晶體中的其他原子吸收，而其中信息也轉(zhuǎn)化成了原子自旋激發(fā)。
到了讀取階段，再重新開啟控制激光束，打開導(dǎo)出光路，將原子自旋激發(fā)重新釋放給光子，如此就能導(dǎo)出光信號。研究人員重復(fù)了多次實驗，發(fā)現(xiàn)這些原子自旋激發(fā)可以實現(xiàn)光的相干存儲的時間為一分鐘，一旦超過這個時間，重新讀取的信息就會失真。
這給后人留下了啟示，即可以將光導(dǎo)入到一種特殊材料中，并用某些控制手段讓其全部存留在其中，從而被材料吸收。
如果用相應(yīng)手段導(dǎo)出的光，在歷經(jīng)長時間后仍然保持相干性，光量子儲存技術(shù)就成型了，只是這種新材料和相應(yīng)的控制技術(shù)并不好找。
輪到中科大團隊出場！
據(jù)了解，中科大李傳鋒、周宗權(quán)課題組，一直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，為此他們瞄準(zhǔn)了摻銪硅酸釔晶體（Eu3+:Y2SiO5）。
周宗權(quán)告訴 DeepTech：“本次光儲存方案的關(guān)鍵之一就是材料的選擇，摻鐠硅酸釔晶體的極限只能做到 1 分鐘，摻銪硅酸釔晶體其實是能夠做到一個月的?！?/strong>
而選擇摻銪硅酸釔晶體的原因之一，也是因為關(guān)注到了澳大利亞國立大學(xué)團隊在 2015 年做出的成果，澳洲團隊在一階塞曼效應(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可以達(dá)到 6 小時。但是，他們并未對該材料的能級結(jié)構(gòu)，做出正確和完整的分析、也沒有實現(xiàn)光存儲。
同樣在 2015 年，周宗權(quán)所在團隊開始自研一臺光學(xué)拉曼外差探測核磁共振譜儀，基于摻銪硅酸釔晶體的核磁共振數(shù)據(jù)，他們精確刻畫出摻銪硅酸釔晶體光學(xué)躍遷的完整哈密頓量，并于 2018 年在理論上預(yù)測了 ZEFOZ 磁場下的能級結(jié)構(gòu)，接著又首次實驗測定了、摻銪硅酸釔晶體在 ZEFOZ 磁場下的完整能級結(jié)構(gòu)。
有了能級結(jié)構(gòu)，就有了攻克光量子存儲這一 “堡壘” 的地圖。能級之間的能量變化正好能夠有指向性地對應(yīng)一些特定頻率的光，知曉能級結(jié)構(gòu)則是控制光信息的導(dǎo)入和導(dǎo)出的第一步。
在此基礎(chǔ)上，本次團隊結(jié)合了原子頻率梳（AFC）量子存儲方案和 ZEFOZ 技術(shù)，攻克了光信號的長壽命存儲難題。其中原子頻率梳技術(shù)，可以認(rèn)為是一項極其精確的操控原子的技術(shù)，可用于捕捉光信號。
周宗權(quán)表示：“原子頻率梳技術(shù)是目前唯一一種能夠在稀土離子摻雜晶體中成功實現(xiàn)長壽命光量子存儲的方案?！?/strong>
具體而言，實驗中的光信號（下圖中 Probe）首先被 AFC（下圖中 | 3>g 態(tài)）吸收成為銪離子系綜的光學(xué)激發(fā)（下圖中 | 3>e 態(tài)），接著被控制信號（下圖中 Control）轉(zhuǎn)移為自旋激發(fā)（下圖中 | 4>g 態(tài)）。
經(jīng)歷一系列的自旋保護脈沖操作后，最終可讀取出光信號，總存儲時間長達(dá) 1 小時。值得一提的是，其中用作保護和延長存儲壽命的是基于射頻（RF）信號的動態(tài)解耦（Dynamical Decoupling）技術(shù)實現(xiàn)的。
雖然是最后一個環(huán)節(jié)，但是也是相當(dāng)重要，周宗權(quán)告訴 DeepTech：“在晶體中有很多鐿原子，其核自旋在不停翻轉(zhuǎn)，它們就構(gòu)成了晶體內(nèi)部的擾動磁場，會使得這個銪離子的核自旋退相干。所以我們基于前人的成果，在這里加入了一個周期性的翻轉(zhuǎn)信號，讓這個擾動磁場的效果在整體積分層面上來看消失?！?/span>
簡單來說，就是在外部加入了翻轉(zhuǎn)信號來減少背景噪聲對于信號的影響，從而延長光量子存儲的壽命。
最后，研究小組將光信號讀出，實驗證實在經(jīng)歷了 1 個小時存儲后，光的位相存儲保真度高達(dá) 96.4 ± 2.5%，這說明該裝置具有極強的相干光存儲能力以及用于量子態(tài)存儲的潛力。
周宗權(quán)表示，論文發(fā)布后，國際學(xué)術(shù)界還提出了一些意外的新應(yīng)用場景，比如在甚長基線干涉儀的天文望遠(yuǎn)鏡中，可以利用量子 U 盤運輸光場來擴大干涉儀的尺寸，從而大幅地提高光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的分辨率
即將研發(fā)量子 U 盤原型機
對于可能的應(yīng)用，他說：“沿著遠(yuǎn)程量子通信這條路走下去，那么就只有兩個方向，量子中繼和量子 U 盤?！?nbsp;
具體而言，如果在量子中繼衛(wèi)星上部署光量子存儲技術(shù)，一小時的存儲時間足以讓一個衛(wèi)星從西半球覆蓋到東半球，形成全球范圍的覆蓋。
量子 U 盤則是量子技術(shù)中出現(xiàn)的專屬存儲方式，擁有著基于量子力學(xué)原理的安全性，就像是一個有高級密鑰的 U 盤
談及未來發(fā)展，周宗權(quán)告訴 DeepTech：“對于衛(wèi)星而言，一小時的存儲時間是足夠長的。但是，地面上的話，高鐵一小時也只能跑 200~300 公里，這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，如何拓展光存儲時間和制作量子 U 盤原型機也是接下來我們專注研究的方向?！?/span>
相比普通 U 盤，量子 U 盤不用擔(dān)心數(shù)據(jù)被人竊取，更不用擔(dān)心丟失，即便不小心丟了也只是丟了一個 U 盤外殼而已，里面的數(shù)據(jù)不會被任何人竊取。
下一步，他計劃先在實驗室研發(fā)出量子 U 盤原型機，未來期望能真正走向?qū)嵱谩?/span>
-End-
參考：
Hau, L., Harris, S., Dutton, Z. et al. Light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomic gas. Nature 397, 594–598 (1999). https://doi.org/10.1038/17561
Heinze G , Hubrich C , Halfmann T . Stopped Light and Image Storage by Electromagnetically Induced Transparency up to the Regime of One Minute [J]. Physical Review Letters, 2013, 111 (3):033601.
Chanelière, T., Matsukevich, D., Jenkins, S. et al. Storage and retrieval of single photons transmitted between remote quantum memories. Nature 438, 833–836 (2005). https://doi.org/10.1038/nature04315
Ma, Y., Ma, YZ., Zhou, ZQ. et al. One-hour coherent optical storage in an atomic frequency comb memory. Nat Commun 12, 2381 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-22706-y
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