把光留住1小時中國科學家逼近「量子U盤」

量子U盤聽說過嗎？中國科學家日前在光量子領域創造了新紀錄，成功將每秒30萬公里的光「留住」1小時。

中科大官方日前發布消息稱，該校郭光燦院士團隊在光量子存儲領域取得重要突破。

該團隊李傳鋒、周宗權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分鐘的世界紀錄，向實現量子U盤邁出重要一步。

目前這一成果4月22日發表在國際知名期刊《自然·通訊》上。

現在光纖網路遍布全球，光已成為現代資訊傳輸的基本載體。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術界孜孜以求的目標。光的存儲在量子通訊領域尤其重要，這是因為基於光量子存儲可以構建量子中繼，從而克服信道損耗建立起大尺度量子網路。

另一種遠程量子通訊的解決方案是量子U盤，即把光子存儲到超長壽命量子存儲器（量子U盤）中，然後通過直接運輸量子U盤來傳輸量子資訊。

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，創下該領域的世界紀錄，然而這一光存儲時間仍遠低於量子U盤的技術需求。

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。

然而由於對該材料的能級結構缺乏了解，至今未能實現長壽命光存儲。

李傳鋒、周宗權研究組長期致力於基於稀土離子摻雜晶體的固態量子存儲實驗研究。研究組2015年自製光學拉曼外差探測核磁共振譜儀，專門用於稀土離子摻雜晶體的能級結構分析。

依託該儀器，研究組精確刻畫了摻銪硅酸釔晶體光學躍遷的完整哈密頓量，並在理論上預測了ZEFOZ磁場下的能級結構[Journal of Luminescence 802, 32 (2018)]。

近期課題組結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構。

在此基礎上，研究組結合了原子頻率梳（AFC）量子存儲方案以及ZEFOZ技術，成功實現了光訊號的長壽命存儲。

實驗中光訊號首先被AFC吸收成為銪離子系綜的光學激發，接著被轉移為自旋激發，經歷一系列自旋保護脈衝操作後，最終被讀取為光訊號，總存儲時間長達1小時。

通過載入相位編碼，實驗證實在經歷了1個小時存儲後，光的相位存儲保真度高達96.4 ± 2.5%。

這些結果表明該裝置具有極強的相干光存儲能力以及用於量子態存儲的潛力。

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的基本需求。接下來通過優化存儲效率及信噪比，有望實現量子U盤，從而可以基於經典運輸工具實現量子資訊的傳輸，建立一種全新的量子信道。

近期的理論研究表明，量子U盤在全球衛星量子通訊、甚長基準線干涉天文測量系統等領域均具有廣泛應用。

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，然而實際的光訊號存儲能力至今才終於得到證明。」

存儲方案示意圖，訊號光場（probe）被梳狀的原子吸收譜吸收，並被控制光場（control）存儲為自旋激發，在射頻（RF）場的操控下延長存儲時間，最終讀取為光訊號。

讀出光脈衝訊號強度與存儲時間的關係。

論文第一作者是中科院量子資訊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。周宗權得到中科院青年創新促進會的資助。