量子U盤聽說過嗎？我國科學(xué)家日前在光量子領(lǐng)域創(chuàng)造了新紀(jì)錄，成功將每秒30萬公里的光“留住”1小時。

中科大官方日前發(fā)布消息稱，該校郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在光量子存儲領(lǐng)域取得重要突破。

大幅度刷新了2013年德國團(tuán)隊(duì)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。

目前這一成果4月22日發(fā)表在國際知名期刊《自然·通訊》上。

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?yàn)榛诠饬孔哟鎯梢詷?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(duì)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(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(duì)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了光信號的長壽命存儲。

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)證實(shí)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(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）。”

“這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(duì)報(bào)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(shí)際的光信號存儲能力至今才終于得到證明。”

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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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：

總結(jié)

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