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邁向“量子U盤”重要一步!

作者: 時間:2021-04-26 來源:每日經(jīng)濟新聞 收藏

  據(jù)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)官網(wǎng)4月25日消息,該校郭光燦院士團隊在光存儲領(lǐng)域取得重要突破。該團隊李傳鋒、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年德國團隊光存儲1分鐘的世界紀(jì)錄,向?qū)崿F(xiàn)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。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202104/424844.htm

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,即把光子存儲到超長壽命量子存儲器()中,然后通過直接運輸量子U盤來傳輸量子信息。考慮到飛機和高鐵等的速度,量子U盤的光存儲時間需要達到小時量級。

  早在1999年,美國哈佛大學(xué)團隊利用冷原子氣體把光速降至17米每秒。2013年德國達姆施塔特大學(xué)團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)歷一系列自旋保護脈沖操作后,最終被讀取為光信號,總存儲時間長達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96.4±2.5%。這些結(jié)果表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。

  該工作將光存儲時間從分鐘量級推進至小時量級,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)新促進會的資助。

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



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