邁向“量子U盤”重要一步！

　　據(jù)中國(guó)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(duì)在光量子存儲(chǔ)領(lǐng)域取得重要突破。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、周宗權(quán)研究組將相干光的存儲(chǔ)時(shí)間提升至1小時(shí)，大幅度刷新了2013年德國(guó)團(tuán)隊(duì)光存儲(chǔ)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(guó)際知名期刊《自然·通訊》上。

圖片來源：中國(guó)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(duì)光的捕獲及存儲(chǔ)可以幫助人們更有效地利用光場(chǎng)。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(guó)際學(xué)術(shù)界孜孜以求的目標(biāo)。光的存儲(chǔ)在量子通信領(lǐng)域尤其重要，這是因?yàn)榛诠饬孔哟鎯?chǔ)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(chǔ)到超長(zhǎng)壽命量子存儲(chǔ)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?？紤]到飛機(jī)和高鐵等的速度，量子U盤的光存儲(chǔ)時(shí)間需要達(dá)到小時(shí)量級(jí)。

　　早在1999年，美國(guó)哈佛大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用冷原子氣體把光速降至17米每秒。2013年德國(guó)達(dá)姆施塔特大學(xué)團(tuán)隊(duì)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(chǔ)時(shí)間仍遠(yuǎn)低于量子U盤的技術(shù)需求。2015年澳大利亞國(guó)立大學(xué)團(tuán)隊(duì)在一階塞曼效應(yīng)為零（ZEFOZ）磁場(chǎng)下，觀察到摻銪硅酸釔晶體的核自旋相干壽命長(zhǎng)達(dá)6小時(shí)，讓人們看到了長(zhǎng)壽命光存儲(chǔ)的希望。然而由于對(duì)該材料的能級(jí)結(jié)構(gòu)缺乏了解，至今未能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命光存儲(chǔ)。

　　李傳鋒、周宗權(quán)研究組長(zhǎng)期致力于基于稀土離子摻雜晶體的固態(tài)量子存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究。研究組2015年自制光學(xué)拉曼外差探測(cè)核磁共振譜儀，專門用于稀土離子摻雜晶體的能級(jí)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(cè)了ZEFOZ磁場(chǎng)下的能級(jí)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(shí)驗(yàn)測(cè)定摻銪硅酸釔晶體在ZEFOZ磁場(chǎng)下的完整能級(jí)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(chǔ)方案以及ZEFOZ技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)的長(zhǎng)壽命存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)中光信號(hào)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(hào)，總存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1小時(shí)。通過加載相位編碼，實(shí)驗(yàn)證實(shí)在經(jīng)歷了1個(gè)小時(shí)存儲(chǔ)后，光的相位存儲(chǔ)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(chǔ)能力以及用于量子態(tài)存儲(chǔ)的潛力。

　　該工作將光存儲(chǔ)時(shí)間從分鐘量級(jí)推進(jìn)至小時(shí)量級(jí)，滿足了量子U盤對(duì)光存儲(chǔ)壽命指標(biāo)的基本需求。接下來通過優(yōu)化存儲(chǔ)效率及信噪比，有望實(shí)現(xiàn)量子U盤，從而可以基于經(jīng)典運(yùn)輸工具實(shí)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(zhǎng)基線干涉天文測(cè)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(píng)價(jià)：“該成果是一個(gè)巨大的成就（a huge achievement）?！薄斑@個(gè)工作讓人們等待了很久，2015年澳大利亞國(guó)立大學(xué)團(tuán)隊(duì)報(bào)道了摻銪硅酸釔晶體在ZEFOZ磁場(chǎng)下具有6小時(shí)的自旋相干壽命，然而實(shí)際的光信號(hào)存儲(chǔ)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(chǔ)方案示意圖，信號(hào)光場(chǎng)（probe）被梳狀的原子吸收譜吸收，并被控制光場(chǎng)（control）存儲(chǔ)為自旋激發(fā)，在射頻（RF）場(chǎng)的操控下延長(zhǎng)存儲(chǔ)時(shí)間，最終讀取為光信號(hào)。

讀出光脈沖信號(hào)強(qiáng)度與存儲(chǔ)時(shí)間的關(guān)系

　　論文第一作者是中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生馬鈺。該工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、安徽省以及中國(guó)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(huì)的資助。

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