在中科院青促會(huì)等資助下，中國科大周宗權(quán)副教授（青促會(huì)證書編號(hào)：2019440）及李傳鋒教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)將相干光的存儲(chǔ)時(shí)間提升至1小時(shí)，大幅度刷新了2013年德國團(tuán)隊(duì)光存儲(chǔ)1分鐘的世界紀(jì)錄，向?qū)崿F(xiàn)量子U盤邁出重要一步。該成果4月22日發(fā)表在《自然·通訊》上。 現(xiàn)在光纖網(wǎng)絡(luò)遍布全球，光已成為現(xiàn)代信息傳輸?shù)幕据d體。對(duì)光的捕獲及存儲(chǔ)可以幫助人們更有效地利用光場。光速高達(dá)30萬公里每秒，降低光速乃至讓光停留下來是國際學(xué)術(shù)界孜孜以求的目標(biāo)。光的存儲(chǔ)在量子通信領(lǐng)域尤其重要，這是因?yàn)榛诠饬孔哟鎯?chǔ)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(luò)。另一種遠(yuǎn)程量子通信的解決方案是量子U盤，即把光子存儲(chǔ)到超長壽命量子存儲(chǔ)器（量子U盤）中，然后通過直接運(yùn)輸量子U盤來傳輸量子信息�？紤]到飛機(jī)和高鐵等的速度，量子U盤的光存儲(chǔ)時(shí)間需要達(dá)到小時(shí)量級(jí)。 早在1999年，美國哈佛大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用冷原子氣體把光速降至17米每秒。2013年德國達(dá)姆施塔特大學(xué)團(tuán)隊(duì)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(jì)錄，然而這一光存儲(chǔ)時(shí)間仍遠(yuǎn)低于量子U盤的技術(shù)需求。2015年澳大利亞國立大學(xué)團(tuán)隊(duì)在一階塞曼效應(yīng)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(dá)6小時(shí)，讓人們看到了長壽命光存儲(chǔ)的希望。然而由于對(duì)該材料的能級(jí)結(jié)構(gòu)缺乏了解，至今未能實(shí)現(xiàn)長壽命光存儲(chǔ)。 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(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究。研究組2015年自制光學(xué)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(jí)結(jié)構(gòu)分析。依托該儀器，研究組精確刻畫了摻銪硅酸釔晶體光學(xué)躍遷的完整哈密頓量，并在理論上預(yù)測了ZEFOZ磁場下的能級(jí)結(jié)構(gòu)[Journal of Luminescence 802, 32 (2018)]。近期課題組結(jié)合理論預(yù)言首次實(shí)驗(yàn)測定摻銪硅酸釔晶體在ZEFOZ磁場下的完整能級(jí)結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，研究組結(jié)合了原子頻率梳（AFC）量子存儲(chǔ)方案以及ZEFOZ技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)的長壽命存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)中光信號(hào)首先被AFC吸收成為銪離子系綜的光學(xué)激發(fā)，接著被轉(zhuǎn)移為自旋激發(fā)，經(jīng)歷一系列自旋保護(hù)脈沖操作后，最終被讀取為光信號(hào)，總存儲(chǔ)時(shí)間長達(dá)1小時(shí)。通過加載相位編碼，實(shí)驗(yàn)證實(shí)在經(jīng)歷了1個(gè)小時(shí)存儲(chǔ)后，光的相位存儲(chǔ)保真度高達(dá)96.4 ± 2.5%。這些結(jié)果表明該裝置具有極強(qiáng)的相干光存儲(chǔ)能力以及用于量子態(tài)存儲(chǔ)的潛力。 該工作將光存儲(chǔ)時(shí)間從分鐘量級(jí)推進(jìn)至小時(shí)量級(jí)，滿足了量子U盤對(duì)光存儲(chǔ)壽命指標(biāo)的基本需求。接下來通過優(yōu)化存儲(chǔ)效率及信噪比，有望實(shí)現(xiàn)量子U盤，從而可以基于經(jīng)典運(yùn)輸工具實(shí)現(xiàn)量子信息的傳輸，建立一種全新的量子信道。該工作發(fā)表后得到及同行的關(guān)注及高度評(píng)價(jià)，近期的國際研究表明，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(yīng)用。
論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41467-021-22706-y
| 
