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科研进展

2021年07月20日
中国科大提出并实现原创的“无噪声光子回波”量子存储方案

我(wo)校郭光(guang)(guang)灿院士团(tuan)队(dui)(dui)在(zai)量子(zi)存(cun)储(chu)(chu)及量子(zi)网络研究(jiu)中(zhong)取得原创(chuang)性进展。该(gai)(gai)团(tuan)队(dui)(dui)李(li)传锋、周宗权(quan)研究(jiu)组提出(chu)并实(shi)验(yan)实(shi)现无噪声(sheng)光(guang)(guang)子(zi)回(hui)波,实(shi)测噪声(sheng)比前(qian)人的(de)结(jie)果降低了670倍,首次观察到(dao)单(dan)光(guang)(guang)子(zi)的(de)光(guang)(guang)子(zi)回(hui)波并由(you)此实(shi)现了高保真度(du)的(de)固态量子(zi)存(cun)储(chu)(chu)。该(gai)(gai)成果7月19日发(fa)表在(zai)国(guo)际知名期(qi)刊《自然·通讯》上。该(gai)(gai)工作从方案(an)提出(chu)、理论分析到(dao)实(shi)验(yan)实(shi)现均由(you)该(gai)(gai)团(tuan)队(dui)(dui)完成,该(gai)(gai)方案(an)被命名为“Noiseless photon echo”(无噪声(sheng)光(guang)(guang)子(zi)回(hui)波,简称NLPE)并已申请发(fa)明(ming)专利(li),是(shi)我(wo)国(guo)具有(you)自主(zhu)知识产权(quan)的(de)原创(chuang)性量子(zi)存(cun)储(chu)(chu)方案(an)。

光(guang)子(zi)(zi)回(hui)(hui)(hui)波(bo)(bo)(bo)是(shi)原子(zi)(zi)与(yu)一系(xi)列电磁(ci)波(bo)(bo)(bo)脉(mai)冲(chong)相互作用时发出(chu)的(de)相干(gan)辐射(she)(she)。该现(xian)象是(shi)沃尔(er)夫奖得(de)主欧文(wen)·哈(ha)恩(Erwin Hahn)于1950年在射(she)(she)频(pin)波(bo)(bo)(bo)段发现(xian)的(de),历史上称之为(wei)自旋回(hui)(hui)(hui)波(bo)(bo)(bo)(spin echo)。自旋回(hui)(hui)(hui)波(bo)(bo)(bo)和光(guang)子(zi)(zi)回(hui)(hui)(hui)波(bo)(bo)(bo)的(de)物理本(ben)质是(shi)一致的(de),即强电磁(ci)波(bo)(bo)(bo)脉(mai)冲(chong)使(shi)大量原子(zi)(zi)的(de)演(yan)化(hua)位(wei)相发生重聚,从而(er)使(shi)初始的(de)电磁(ci)波(bo)(bo)(bo)激发以回(hui)(hui)(hui)波(bo)(bo)(bo)的(de)形式发射(she)(she)出(chu)来。自旋回(hui)(hui)(hui)波(bo)(bo)(bo)就是(shi)射(she)(she)频(pin)波(bo)(bo)(bo)段的(de)光(guang)子(zi)(zi)回(hui)(hui)(hui)波(bo)(bo)(bo)。

光(guang)子(zi)(zi)(zi)回(hui)(hui)波(bo)(bo)(bo)作(zuo)为(wei)光(guang)与物(wu)(wu)质作(zuo)用(yong)(yong)的(de)一种基本物(wu)(wu)理过程,已在众多学(xue)科领域取得(de)广泛应用(yong)(yong),代表性的(de)应用(yong)(yong)有(you)核磁共振成像(射频波(bo)(bo)(bo)段(duan))、电子(zi)(zi)(zi)顺磁共振谱仪(微(wei)波(bo)(bo)(bo)段(duan))以及二维电子(zi)(zi)(zi)光(guang)谱(光(guang)波(bo)(bo)(bo)段(duan))等。这些(xie)经典(dian)领域的(de)应用(yong)(yong)表明光(guang)子(zi)(zi)(zi)回(hui)(hui)波(bo)(bo)(bo)是存储(chu)和操纵光(guang)的(de)有(you)力工具,如果把光(guang)子(zi)(zi)(zi)回(hui)(hui)波(bo)(bo)(bo)应用(yong)(yong)到量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)领域,则有(you)望(wang)实现任(ren)意(yi)波(bo)(bo)(bo)段(duan)的(de)光(guang)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)存储(chu)器(qi),从而建立超导量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)计算机(ji)的(de)微(wei)波(bo)(bo)(bo)光(guang)子(zi)(zi)(zi)学(xue)界面,以及建立基于光(guang)波(bo)(bo)(bo)光(guang)子(zi)(zi)(zi)的(de)大尺度量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)网络。

然(ran)而(er)强(qiang)电磁波(bo)(bo)脉冲作用在(zai)原子(zi)系综上(shang)(shang),会给(ji)原子(zi)上(shang)(shang)能(neng)(neng)级(ji)(ji)带来残留布(bu)(bu)居数,导(dao)致自(zi)发辐射(she)噪声。已有的(de)(de)光子(zi)回(hui)波(bo)(bo)方案都(dou)存在(zai)一个本质(zhi)缺陷,其光子(zi)回(hui)波(bo)(bo)发射(she)的(de)(de)上(shang)(shang)能(neng)(neng)级(ji)(ji)与残留布(bu)(bu)居的(de)(de)上(shang)(shang)能(neng)(neng)级(ji)(ji)是同一能(neng)(neng)级(ji)(ji),所(suo)以光子(zi)回(hui)波(bo)(bo)的(de)(de)发射(she)信(xin)号必(bi)然(ran)被(bei)自(zi)发辐射(she)噪声所(suo)污染。这从根本上(shang)(shang)阻(zu)止了光子(zi)回(hui)波(bo)(bo)应(ying)用到量子(zi)领域(yu)。此前最低(di)噪声的(de)(de)光子(zi)回(hui)波(bo)(bo)实验(yan)是法国国家(jia)科学中(zhong)心团队(dui)于2014年完成的(de)(de),其背景(jing)噪声超过1个光子(zi),无法满足量子(zi)信(xin)息应(ying)用的(de)(de)需求。

李传锋、周宗权研究组基于四(si)能(neng)(neng)级(ji)的(de)(de)原(yuan)子(zi)系统提(ti)出了(le)(le)NLPE方案。该(gai)方案创造(zao)性地结(jie)合了(le)(le)不(bu)同(tong)频(pin)的(de)(de)控制脉冲以及(ji)两次重聚过(guo)程,使(shi)得发(fa)射(she)光(guang)子(zi)回(hui)波(bo)(bo)的(de)(de)上(shang)能(neng)(neng)级(ji)与残(can)留布居的(de)(de)上(shang)能(neng)(neng)级(ji)是不(bu)同(tong)能(neng)(neng)级(ji),所以可通过(guo)频(pin)谱滤波(bo)(bo)严格消除(chu)自发(fa)辐射(she)噪声(sheng)(sheng)。研究组还(hai)在(zai)掺(chan)铕硅酸(suan)钇晶体(量(liang)子(zi)优(you)盘的(de)(de)工作(zuo)介质(zhi))中实现了(le)(le)NLPE方案,实测的(de)(de)背景(jing)噪声(sheng)(sheng)为0.0015光(guang)子(zi),比前人(ren)光(guang)子(zi)回(hui)波(bo)(bo)实验的(de)(de)噪声(sheng)(sheng)降(jiang)低了(le)(le)670倍。在(zai)单(dan)光(guang)子(zi)信(xin)(xin)号入射(she)的(de)(de)条件,回(hui)波(bo)(bo)的(de)(de)信(xin)(xin)噪比达(da)42.5,光(guang)量(liang)子(zi)比特(te)的(de)(de)存(cun)储保真度达(da)95.2%。

此前,瑞士日内瓦(wa)大学团队提(ti)(ti)出的(de)(de)原子(zi)频率(lv)梳(AFC,Atomic frequency comb)是(shi)在稀土掺杂晶体(ti)中(zhong)唯一实(shi)现(xian)了(le)(le)量子(zi)比(bi)特存储的(de)(de)方(fang)案(an),而新的(de)(de)NLPE方(fang)案(an)在掺铕(you)硅酸(suan)钇(yi)晶体(ti)中(zhong)的(de)(de)存储信噪比(bi)相比(bi)AFC提(ti)(ti)高(gao)了(le)(le)4倍。NLPE方(fang)案(an)具备高(gao)效率(lv)、高(gao)保真(zhen)度及易于(yu)实(shi)现(xian)的(de)(de)特性(xing),在量子(zi)优盘(pan)的(de)(de)应(ying)用中(zhong)将具有显著优势,这种超低噪声的(de)(de)光(guang)子(zi)回波技术还有望在其他学科领(ling)域的(de)(de)信号提(ti)(ti)取(qu)等方(fang)面激发出新的(de)(de)应(ying)用。

左图:NLPE方案示意图,信号光(guang)(guang)子(zi)被原子(zi)吸收,经过两对控制脉冲的(de)(de)操(cao)作后,读取(qu)出回(hui)波。右图:NLPE的(de)(de)时序图(上),以及实测的(de)(de)单光(guang)(guang)子(zi)回(hui)波(下)。

审(shen)稿人高(gao)度评价该工(gong)作:“The results are original, both the proposal and the implementation and I found the paper very interesting.”(这(zhei)些(xie)结果都是原创的,包(bao)括理(li)论方(fang)案(an)以及实验实现(xian)(xian),我(wo)认为它(ta)非常有趣(qu));“I think that this manuscript presents an important progress towards high-performance quantum memories with the development of an alternative solution.”(这(zhei)个工(gong)作开发(fa)出新型(xing)存(cun)储方(fang)案(an),是通往高(gao)性能量(liang)子存(cun)储器(qi)的一项(xiang)重要(yao)进展);“The NLPE protocol is definitely more simple to implement in the lab than AFC, and it will make a better use of the finite absorption depth of the RE crystal.”(相比原子频率梳方(fang)案(an),NLPE方(fang)案(an)显然更容易实现(xian)(xian),并(bing)且(qie)它(ta)对稀(xi)土掺杂晶(jing)体(ti)有限(xian)的光吸收深度实现(xian)(xian)了更高(gao)效率的利用)。

论文共(gong)同第一作(zuo)者为中(zhong)科院量子信息(xi)重(zhong)点(dian)实验室博士(shi)研究生马有(you)志、靳明以(yi)及中(zhong)科大本(ben)科生陈(chen)铎仑。该工作(zuo)得到了(le)科技部、国家(jia)自(zi)然科学基金委、安徽省以(yi)及中(zhong)国科学院的(de)资(zi)助。周宗权得到中(zhong)科院青年创新(xin)促进会的(de)资(zi)助。

论文(wen)链(lian)接(jie):


(中科(ke)(ke)(ke)院量子信息(xi)重点实(shi)验室(shi)、中科(ke)(ke)(ke)院量子信息(xi)和(he)量子科(ke)(ke)(ke)技创新研究院、科(ke)(ke)(ke)研部)

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