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路虎赵丽颖

我院郭光灿院士团队李传锋、周宗权研究组提出并实现原创的“无噪声光子回波”量子存储方案 [2020-07-20]

我院郭光(guang)(guang)灿院士团(tuan)(tuan)队在量子(zi)(zi)存储(chu)及量子(zi)(zi)网络研究(jiu)(jiu)中(zhong)取(qu)得(de)原(yuan)创(chuang)(chuang)性(xing)进展(zhan)。该团(tuan)(tuan)队李(li)传锋(feng)、周宗权研究(jiu)(jiu)组提出(chu)并(bing)实(shi)验实(shi)现(xian)无(wu)噪(zao)声光(guang)(guang)子(zi)(zi)回(hui)(hui)波,实(shi)测噪(zao)声比前(qian)人的结果(guo)降(jiang)低了(le)(le)670倍(bei),首次(ci)观察到(dao)单光(guang)(guang)子(zi)(zi)的光(guang)(guang)子(zi)(zi)回(hui)(hui)波并(bing)由(you)此实(shi)现(xian)了(le)(le)高保真度的固(gu)态(tai)量子(zi)(zi)存储(chu)。该成果(guo)7月19日发表(biao)在国际知名(ming)期刊《自然·通讯》上。该工作(zuo)从(cong)方(fang)案(an)提出(chu)、理(li)论分析(xi)到(dao)实(shi)验实(shi)现(xian)均由(you)该团(tuan)(tuan)队完成,该方(fang)案(an)被命(ming)名(ming)为“Noiseless photon echo”(无(wu)噪(zao)声光(guang)(guang)子(zi)(zi)回(hui)(hui)波,简称NLPE)并(bing)已申请(qing)发明专利,是我国具有自主知识(shi)产权的原(yuan)创(chuang)(chuang)性(xing)量子(zi)(zi)存储(chu)方(fang)案(an)。

光子回(hui)波(bo)(bo)(bo)(bo)是原子与一系列电(dian)(dian)磁波(bo)(bo)(bo)(bo)脉(mai)冲相互作用时(shi)发(fa)(fa)出的(de)(de)相干辐(fu)射。该现象是沃(wo)尔夫(fu)奖得(de)主(zhu)欧文(wen)·哈(ha)恩(Erwin Hahn)于1950年(nian)在射频波(bo)(bo)(bo)(bo)段发(fa)(fa)现的(de)(de),历史上称之(zhi)为(wei)自(zi)(zi)(zi)旋(xuan)回(hui)波(bo)(bo)(bo)(bo)(spin echo)。自(zi)(zi)(zi)旋(xuan)回(hui)波(bo)(bo)(bo)(bo)和(he)光子回(hui)波(bo)(bo)(bo)(bo)的(de)(de)物(wu)理本质(zhi)是一致的(de)(de),即强电(dian)(dian)磁波(bo)(bo)(bo)(bo)脉(mai)冲使大量原子的(de)(de)演化位相发(fa)(fa)生重(zhong)聚,从而使初(chu)始(shi)的(de)(de)电(dian)(dian)磁波(bo)(bo)(bo)(bo)激发(fa)(fa)以回(hui)波(bo)(bo)(bo)(bo)的(de)(de)形式发(fa)(fa)射出来。自(zi)(zi)(zi)旋(xuan)回(hui)波(bo)(bo)(bo)(bo)就是射频波(bo)(bo)(bo)(bo)段的(de)(de)光子回(hui)波(bo)(bo)(bo)(bo)。

光(guang)子(zi)(zi)回(hui)波(bo)(bo)作为光(guang)与物质作用(yong)的(de)一种(zhong)基本物理(li)过程,已在众多学科领(ling)域(yu)取得广(guang)泛应用(yong),代表(biao)(biao)性(xing)的(de)应用(yong)有核磁(ci)共振成像(xiang)(射(she)频波(bo)(bo)段(duan))、电子(zi)(zi)顺磁(ci)共振谱仪(微(wei)波(bo)(bo)段(duan))以及(ji)二(er)维(wei)电子(zi)(zi)光(guang)谱(光(guang)波(bo)(bo)段(duan))等(deng)。这些经典领(ling)域(yu)的(de)应用(yong)表(biao)(biao)明光(guang)子(zi)(zi)回(hui)波(bo)(bo)是(shi)存储和(he)操纵光(guang)的(de)有力工具(ju),如果把(ba)光(guang)子(zi)(zi)回(hui)波(bo)(bo)应用(yong)到(dao)量子(zi)(zi)领(ling)域(yu),则有望实现任(ren)意波(bo)(bo)段(duan)的(de)光(guang)量子(zi)(zi)存储器,从而建立超导量子(zi)(zi)计(ji)算机的(de)微(wei)波(bo)(bo)光(guang)子(zi)(zi)学界面(mian),以及(ji)建立基于光(guang)波(bo)(bo)光(guang)子(zi)(zi)的(de)大尺度量子(zi)(zi)网络(luo)。

然而强电磁波(bo)(bo)脉(mai)冲作用在原(yuan)子(zi)(zi)(zi)系综上(shang),会(hui)给原(yuan)子(zi)(zi)(zi)上(shang)能级(ji)带来残留(liu)(liu)布居(ju)(ju)数,导致自发(fa)辐(fu)射(she)噪声。已有的(de)光子(zi)(zi)(zi)回波(bo)(bo)方(fang)案都存在一(yi)个(ge)本质缺陷,其(qi)光子(zi)(zi)(zi)回波(bo)(bo)发(fa)射(she)的(de)上(shang)能级(ji)与(yu)残留(liu)(liu)布居(ju)(ju)的(de)上(shang)能级(ji)是同一(yi)能级(ji),所以光子(zi)(zi)(zi)回波(bo)(bo)的(de)发(fa)射(she)信(xin)号必然被自发(fa)辐(fu)射(she)噪声所污染。这从根本上(shang)阻止(zhi)了光子(zi)(zi)(zi)回波(bo)(bo)应用到量(liang)子(zi)(zi)(zi)领域。此前最低噪声的(de)光子(zi)(zi)(zi)回波(bo)(bo)实验是法(fa)国国家科学(xue)中心(xin)团队于2014年完成的(de),其(qi)背景噪声超过1个(ge)光子(zi)(zi)(zi),无法(fa)满足量(liang)子(zi)(zi)(zi)信(xin)息应用的(de)需求。

李(li)传锋、周宗(zong)权研究(jiu)组(zu)(zu)基于四(si)能(neng)级(ji)的(de)原子系统(tong)提(ti)出了NLPE方案。该方案创造性地结合了不(bu)同频的(de)控制脉(mai)冲以及两(liang)次(ci)重聚过程,使(shi)得发射光子回(hui)波(bo)的(de)上(shang)能(neng)级(ji)与残留布居的(de)上(shang)能(neng)级(ji)是不(bu)同能(neng)级(ji),所以可通过频谱(pu)滤波(bo)严格消除自发辐(fu)射噪声(sheng)。研究(jiu)组(zu)(zu)还(hai)在掺铕硅酸钇(yi)晶体(量子优盘(pan)的(de)工(gong)作介(jie)质)中实(shi)现了NLPE方案,实(shi)测的(de)背景噪声(sheng)为0.0015光子,比(bi)前人光子回(hui)波(bo)实(shi)验的(de)噪声(sheng)降低(di)了670倍。在单光子信(xin)号(hao)入射的(de)条件(jian),回(hui)波(bo)的(de)信(xin)噪比(bi)达42.5,光量子比(bi)特的(de)存储保(bao)真度达95.2%。

此前,瑞士(shi)日内(nei)瓦大(da)学(xue)团队提(ti)出的(de)原子(zi)频率(lv)梳(AFC,Atomic frequency comb)是在(zai)稀土掺(chan)杂(za)晶体(ti)中(zhong)唯一实(shi)现了(le)(le)量(liang)子(zi)比(bi)特存储的(de)方案,而新的(de)NLPE方案在(zai)掺(chan)铕硅酸钇晶体(ti)中(zhong)的(de)存储信(xin)噪比(bi)相比(bi)AFC提(ti)高(gao)了(le)(le)4倍。NLPE方案具备高(gao)效率(lv)、高(gao)保真度及易于(yu)实(shi)现的(de)特性,在(zai)量(liang)子(zi)优(you)盘(pan)的(de)应(ying)用中(zhong)将具有(you)显著优(you)势,这种超低噪声(sheng)的(de)光子(zi)回波技术还有(you)望在(zai)其(qi)他学(xue)科领域的(de)信(xin)号提(ti)取等方面激发出新的(de)应(ying)用。

左图(tu)(tu):NLPE方案示意(yi)图(tu)(tu),信号光(guang)子被原子吸收,经过两对控制脉(mai)冲的操作后(hou),读取出(chu)回波。右(you)图(tu)(tu):NLPE的时序图(tu)(tu)(上),以及(ji)实测(ce)的单光(guang)子回波(下(xia))。

审稿人高(gao)度评(ping)价(jia)该工作(zuo)(zuo):“The results are original, both the proposal and the implementation and I found the paper very interesting.”(这些结(jie)果(guo)都是(shi)原创的,包括理论方(fang)案(an)(an)以(yi)及实(shi)验实(shi)现(xian),我认为它非常有(you)趣);“I think that this manuscript presents an important progress towards high-performance quantum memories with the development of an alternative solution.”(这个工作(zuo)(zuo)开(kai)发(fa)出新(xin)型存(cun)储方(fang)案(an)(an),是(shi)通往高(gao)性能量子存(cun)储器的一(yi)项重要(yao)进展(zhan));“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(shu)方(fang)案(an)(an),NLPE方(fang)案(an)(an)显然(ran)更(geng)容易实(shi)现(xian),并且它对稀土掺杂晶体有(you)限的光(guang)吸收深度实(shi)现(xian)了更(geng)高(gao)效率的利用(yong))。

论文共同第(di)一作(zuo)者为中(zhong)(zhong)科(ke)院(yuan)量子信息重点实(shi)验室(shi)博士研究生(sheng)马有志、靳明(ming)以(yi)及(ji)中(zhong)(zhong)科(ke)大本科(ke)生(sheng)陈(chen)铎仑。该(gai)工作(zuo)得到(dao)了科(ke)技部、国家(jia)自然科(ke)学基金委(wei)、安徽省以(yi)及(ji)中(zhong)(zhong)国科(ke)学院(yuan)的(de)资助。周(zhou)宗权得到(dao)中(zhong)(zhong)科(ke)院(yuan)青年创新促进会的(de)资助。

 论(lun)文(wen)链接:


(中科院(yuan)量子信息(xi)(xi)重点(dian)实(shi)验室(shi)、中科院(yuan)量子信息(xi)(xi)和量子科技创新研(yan)究院(yuan)、科研(yan)部)


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