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千与千寻

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(wo)院郭(guo)光(guang)灿院士(shi)团(tuan)队在(zai)量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)存(cun)储及量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)网络(luo)研究(jiu)中取得原创性(xing)(xing)进展。该(gai)(gai)(gai)团(tuan)队李传锋、周宗权(quan)研究(jiu)组提出并(bing)实(shi)(shi)验实(shi)(shi)现无噪(zao)(zao)声(sheng)光(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)回波,实(shi)(shi)测噪(zao)(zao)声(sheng)比前人的结(jie)果降低了670倍(bei),首(shou)次(ci)观察(cha)到(dao)单光(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)的光(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)回波并(bing)由此实(shi)(shi)现了高保真度的固态量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)存(cun)储。该(gai)(gai)(gai)成(cheng)果7月(yue)19日发表(biao)在(zai)国(guo)际知名(ming)期刊《自(zi)然·通(tong)讯》上。该(gai)(gai)(gai)工作从(cong)方(fang)案(an)提出、理论(lun)分析到(dao)实(shi)(shi)验实(shi)(shi)现均由该(gai)(gai)(gai)团(tuan)队完成(cheng),该(gai)(gai)(gai)方(fang)案(an)被命名(ming)为“Noiseless photon echo”(无噪(zao)(zao)声(sheng)光(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)回波,简称NLPE)并(bing)已申请发明(ming)专利,是(shi)我(wo)国(guo)具有自(zi)主知识产权(quan)的原创性(xing)(xing)量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)存(cun)储方(fang)案(an)。

光(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)回(hui)波(bo)是(shi)原子(zi)(zi)(zi)与一系列电(dian)(dian)磁(ci)波(bo)脉冲相互作用时发(fa)(fa)出的(de)(de)(de)相干辐(fu)射。该现象是(shi)沃尔(er)夫(fu)奖得主欧文·哈(ha)恩(Erwin Hahn)于1950年在(zai)射频(pin)波(bo)段(duan)发(fa)(fa)现的(de)(de)(de),历史上称之为自(zi)旋回(hui)波(bo)(spin echo)。自(zi)旋回(hui)波(bo)和光(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)回(hui)波(bo)的(de)(de)(de)物理本质是(shi)一致(zhi)的(de)(de)(de),即强电(dian)(dian)磁(ci)波(bo)脉冲使(shi)大量原子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)演化(hua)位相发(fa)(fa)生(sheng)重聚,从(cong)而使(shi)初始的(de)(de)(de)电(dian)(dian)磁(ci)波(bo)激发(fa)(fa)以回(hui)波(bo)的(de)(de)(de)形式发(fa)(fa)射出来(lai)。自(zi)旋回(hui)波(bo)就是(shi)射频(pin)波(bo)段(duan)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)回(hui)波(bo)。

光(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)回波(bo)(bo)作为光(guang)(guang)与物质作用的一种基本物理过程,已在众多学科领域(yu)取得广泛应(ying)(ying)用,代表性(xing)的应(ying)(ying)用有核磁(ci)共(gong)振(zhen)成(cheng)像(射频波(bo)(bo)段(duan))、电子(zi)(zi)(zi)(zi)顺磁(ci)共(gong)振(zhen)谱(pu)仪(微(wei)波(bo)(bo)段(duan))以(yi)及(ji)二维电子(zi)(zi)(zi)(zi)光(guang)(guang)谱(pu)(光(guang)(guang)波(bo)(bo)段(duan))等。这些经典领域(yu)的应(ying)(ying)用表明光(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)回波(bo)(bo)是存(cun)储和操纵光(guang)(guang)的有力工具,如果把光(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)回波(bo)(bo)应(ying)(ying)用到量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)领域(yu),则有望实现任意波(bo)(bo)段(duan)的光(guang)(guang)量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)存(cun)储器(qi),从而建立(li)超导量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)计算机的微(wei)波(bo)(bo)光(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)学界面,以(yi)及(ji)建立(li)基于光(guang)(guang)波(bo)(bo)光(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)的大(da)尺度量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)网络(luo)。

然而强(qiang)电磁波(bo)(bo)脉冲作用(yong)在(zai)原(yuan)子(zi)系综上(shang),会给原(yuan)子(zi)上(shang)能(neng)级(ji)带来残(can)留(liu)布(bu)居数,导致自发(fa)辐射噪(zao)声。已有的(de)(de)光子(zi)回波(bo)(bo)方案(an)都(dou)存在(zai)一个本(ben)质缺陷(xian),其光子(zi)回波(bo)(bo)发(fa)射的(de)(de)上(shang)能(neng)级(ji)与(yu)残(can)留(liu)布(bu)居的(de)(de)上(shang)能(neng)级(ji)是(shi)(shi)同一能(neng)级(ji),所(suo)以光子(zi)回波(bo)(bo)的(de)(de)发(fa)射信号必然被自发(fa)辐射噪(zao)声所(suo)污染。这从根本(ben)上(shang)阻止了光子(zi)回波(bo)(bo)应(ying)(ying)用(yong)到量子(zi)领域。此前最低噪(zao)声的(de)(de)光子(zi)回波(bo)(bo)实(shi)验是(shi)(shi)法(fa)国(guo)国(guo)家(jia)科学中心团队(dui)于2014年完成的(de)(de),其背景噪(zao)声超(chao)过1个光子(zi),无法(fa)满足(zu)量子(zi)信息应(ying)(ying)用(yong)的(de)(de)需求。

李传锋、周宗权研究组(zu)基于四(si)能(neng)级(ji)(ji)的原子(zi)系统提(ti)出(chu)了(le)NLPE方(fang)案(an)(an)。该方(fang)案(an)(an)创造性(xing)地(di)结合了(le)不同频的控制(zhi)脉(mai)冲以及两次重聚过程,使(shi)得发(fa)射(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)回波(bo)(bo)的上(shang)能(neng)级(ji)(ji)与残(can)留布居的上(shang)能(neng)级(ji)(ji)是不同能(neng)级(ji)(ji),所以可通过频谱(pu)滤波(bo)(bo)严格消(xiao)除自发(fa)辐射(she)噪(zao)声(sheng)(sheng)。研究组(zu)还在掺铕硅酸钇晶(jing)体(ti)(量子(zi)优盘(pan)的工作介质)中实现了(le)NLPE方(fang)案(an)(an),实测(ce)的背景噪(zao)声(sheng)(sheng)为0.0015光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi),比(bi)前人(ren)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)回波(bo)(bo)实验的噪(zao)声(sheng)(sheng)降(jiang)低了(le)670倍。在单光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)信(xin)号入(ru)射(she)的条件,回波(bo)(bo)的信(xin)噪(zao)比(bi)达(da)42.5,光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)量子(zi)比(bi)特的存储保(bao)真度达(da)95.2%。

此前,瑞士日内瓦大学(xue)团(tuan)队提出的原子(zi)(zi)频率梳(AFC,Atomic frequency comb)是在稀土掺杂晶(jing)体中唯一实现(xian)了量子(zi)(zi)比(bi)特存(cun)储的方(fang)案,而新的NLPE方(fang)案在掺铕硅酸(suan)钇晶(jing)体中的存(cun)储信噪(zao)比(bi)相比(bi)AFC提高了4倍。NLPE方(fang)案具备高效(xiao)率、高保真(zhen)度及易于实现(xian)的特性,在量子(zi)(zi)优盘的应用(yong)中将具有显著优势,这种(zhong)超低噪(zao)声的光(guang)子(zi)(zi)回波技术还有望在其他(ta)学(xue)科领(ling)域的信号提取等(deng)方(fang)面激发(fa)出新的应用(yong)。

左图(tu):NLPE方案(an)示意图(tu),信号光子被(bei)原(yuan)子吸收(shou),经过两对控制脉冲的操(cao)作后,读取出回(hui)波。右图(tu):NLPE的时序图(tu)(上(shang)),以及实测(ce)的单光子回(hui)波(下)。

审稿人高(gao)度(du)评价该工作(zuo):“The results are original, both the proposal and the implementation and I found the paper very interesting.”(这(zhei)(zhei)些结果都(dou)是原(yuan)创的,包括(kuo)理论(lun)方(fang)案(an)以及实验(yan)实现,我(wo)认为(wei)它非(fei)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)(zhei)个工作(zuo)开(kai)发出新型存储方(fang)案(an),是通(tong)往(wang)高(gao)性能(neng)量子存储器的一项重要进展(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(yuan)子频率(lv)梳方(fang)案(an),NLPE方(fang)案(an)显(xian)然更容易实现,并且(qie)它对稀土(tu)掺杂晶(jing)体(ti)有限的光吸收深度(du)实现了(le)更高(gao)效率(lv)的利用)。

论文(wen)共同第一作(zuo)者为中(zhong)科(ke)(ke)院(yuan)(yuan)量子信(xin)息重点实验室博士研究生马有志、靳明(ming)以及(ji)中(zhong)科(ke)(ke)大本(ben)科(ke)(ke)生陈铎仑。该(gai)工作(zuo)得到(dao)(dao)了科(ke)(ke)技部、国(guo)家自然科(ke)(ke)学基金委、安徽省以及(ji)中(zhong)国(guo)科(ke)(ke)学院(yuan)(yuan)的资(zi)助。周宗权得到(dao)(dao)中(zhong)科(ke)(ke)院(yuan)(yuan)青年(nian)创新(xin)促进会的资(zi)助。

 论文链接:


(中(zhong)(zhong)科院(yuan)(yuan)量子(zi)(zi)信(xin)息重(zhong)点实验室、中(zhong)(zhong)科院(yuan)(yuan)量子(zi)(zi)信(xin)息和量子(zi)(zi)科技创新研究院(yuan)(yuan)、科研部(bu))


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