4月25日消息（余予）來自中國科大的消息顯示，中國科大郭光燦院士團隊李傳鋒、周宗權(quán)研究組在光量子存儲領(lǐng)域取得重要突破，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分鐘的世界紀錄，向?qū)崿F(xiàn)量子U盤邁出重要一步。
現(xiàn)在光纖網(wǎng)絡遍布全球，光已成為現(xiàn)代信息傳輸?shù)幕据d體。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。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術(shù)界孜孜以求的目標。
據(jù)悉，早在1999年，美國哈佛大學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)域的世界紀錄，然而這一光存儲時間仍遠低于量子U盤的技術(shù)需求；2015年澳大利亞國立大學團隊在一階塞曼效應為零（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。
另一種遠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，然后通過直接運輸量子U盤來傳輸量子信息?？紤]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。
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：2015年研究組自制光學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，并依托該儀器，精確刻畫了摻銪硅酸釔晶體光學躍遷的完整哈密頓量，并在理論上預測了ZEFOZ磁場下的能級結(jié)構(gòu)；近期課題組結(jié)合理論預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)。
基于以上研究，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，總存儲時間長達1小時。同時，研究組通過加載相位編碼，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%。
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)域均具有廣泛應用。相關(guān)審稿人評價稱：
·該成果是一個巨大的成就；
·這個工作讓人們等待了很久，2015年澳大利亞國立大學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
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、國家自然科學基金委、安徽省以及中國科學院的資助。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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