中國科學(xué)家首次實現(xiàn)高效率長壽命量子存儲器

經(jīng)過課題組成員的艱苦努力，并通過一系列其他技術(shù)難題的攻克，潘建偉小組最終成功實現(xiàn)了3.2毫秒的存儲壽命及73%的讀出效率。該成果為目前國際上量子存儲綜合性能指標最好的實驗結(jié)果。論文審稿人認為該工作“是朝向可升級量子信息處理方向的重要研究成果”，“開啟了利用多個原子系綜研究復(fù)雜量子信息方案的大門”。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室潘建偉院士及其同事包小輝、趙博等同德國研究人員合作實驗實現(xiàn)了具有高讀出效率及長存儲壽命的高性能量子存儲器。該實驗在國際上首次將長存儲壽命和高讀出效率在單個存儲器內(nèi)結(jié)合起來，向可升級長程量子通信及可升級光學(xué)量子計算邁出了至關(guān)重要的一步。該工作于5月20日發(fā)表于英國《自然》雜志的子刊《自然?物理學(xué)》上。

量子存儲器的主要用途是存儲單個量子態(tài)，從而實現(xiàn)不同量子操作的時間同步。量子存儲器是量子中繼及大尺度光學(xué)量子計算中的關(guān)鍵器件，其核心性能指標是存儲壽命和讀出效率。目前，量子存儲器已經(jīng)在冷原子系綜、熱原子系綜、單個中性原子、低溫固體、金剛石色心等體系中實現(xiàn)。從其核心性能指標來看，冷原子系綜的發(fā)展水平遠優(yōu)于其他實驗體系，最有希望被用于可升級量子通信和光學(xué)量子計算。因此，冷原子系綜體系一直是國際上量子存儲及其應(yīng)用方面的主要研究熱點。到目前為止，作為量子存儲器最重要應(yīng)用之一的量子中繼單元也僅在冷原子系綜體系內(nèi)被實現(xiàn)。

在以往研究中，延長存儲壽命和提高讀出效率這兩部分往往是分開進行的，使得存儲壽命和讀出效率這個兩個主要指標沒有得到同步提升。具體來講，在以往實現(xiàn)長壽命量子存儲的實驗中，盡管存儲壽命已經(jīng)提升至毫秒量級以上，但讀出效率卻僅為20%左右；在實現(xiàn)高效量子存儲的實驗中，盡管讀出效率已經(jīng)提升至70%以上，但存儲壽命卻僅有幾百納秒到幾微秒左右。僅單一性能指標較好的量子存儲器無法滿足量子中繼及光學(xué)量子計算等的實際應(yīng)用需求。

在提升存儲壽命方面，潘建偉小組在2008年發(fā)現(xiàn)原子團內(nèi)的隨機運動帶來的自旋波亂相構(gòu)成了限制毫秒級量子存儲的主要物理機制，并通過延長自旋波波長的方式成功地提升存儲壽命至1毫秒。在提升讀出效率方面，相關(guān)研究結(jié)果表明，利用光腔增強的方式可以有效地提升讀出效率。因此，如何將長壽命量子存儲及腔增強量子存儲這兩部分的方法、技術(shù)相結(jié)合，是在冷原子系綜體系內(nèi)實現(xiàn)長壽命高效量子存儲器的關(guān)鍵。

為了延長自旋波波長，需要采用共線讀寫的幾何結(jié)構(gòu)。為了區(qū)分前向散射與背向散射過程，需要采用環(huán)形腔共振技術(shù)。這兩部分相結(jié)合帶來的一個重要技術(shù)難題是：需要實現(xiàn)環(huán)形腔與四個模式的同時共振。潘建偉小組通過巧妙的方案設(shè)計將這一四重共振的技術(shù)難題簡化為雙重共振，降低了實驗難度。經(jīng)過課題組成員的艱苦努力，并通過一系列其他技術(shù)難題的攻克，潘建偉小組最終成功實現(xiàn)了3.2毫秒的存儲壽命及73%的讀出效率。該成果為目前國際上量子存儲綜合性能指標最好的實驗結(jié)果。論文審稿人認為該工作“是朝向可升級量子信息處理方向的重要研究成果”，“開啟了利用多個原子系綜研究復(fù)雜量子信息方案的大門”。

潘建偉小組從2005年開始在冷原子系綜量子存儲方面開展了系統(tǒng)性研究，迄今為止已經(jīng)在《自然》、《自然?物理學(xué)》、《自然?光子學(xué)》和《物理評論快報》四個國際著名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表高水平論文十余篇，是目前國際上在量子存儲研究方面居于領(lǐng)先地位的幾個主要研究小組之一。

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