中國(guó)科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)高效率長(zhǎng)壽命量子存儲(chǔ)器

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

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室潘建偉院士及其同事包小輝、趙博等同德國(guó)研究人員合作實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了具有高讀出效率及長(zhǎng)存儲(chǔ)壽命的高性能量子存儲(chǔ)器。該實(shí)驗(yàn)在國(guó)際上首次將長(zhǎng)存儲(chǔ)壽命和高讀出效率在單個(gè)存儲(chǔ)器內(nèi)結(jié)合起來(lái)，向可升級(jí)長(zhǎng)程量子通信及可升級(jí)光學(xué)量子計(jì)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(guó)《自然》雜志的子刊《自然?物理學(xué)》上。

量子存儲(chǔ)器的主要用途是存儲(chǔ)單個(gè)量子態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)不同量子操作的時(shí)間同步。量子存儲(chǔ)器是量子中繼及大尺度光學(xué)量子計(jì)算中的關(guān)鍵器件，其核心性能指標(biāo)是存儲(chǔ)壽命和讀出效率。目前，量子存儲(chǔ)器已經(jīng)在冷原子系綜、熱原子系綜、單個(gè)中性原子、低溫固體、金剛石色心等體系中實(shí)現(xiàn)。從其核心性能指標(biāo)來(lái)看，冷原子系綜的發(fā)展水平遠(yuǎn)優(yōu)于其他實(shí)驗(yàn)體系，最有希望被用于可升級(jí)量子通信和光學(xué)量子計(jì)算。因此，冷原子系綜體系一直是國(guó)際上量子存儲(chǔ)及其應(yīng)用方面的主要研究熱點(diǎn)。到目前為止，作為量子存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)。

在以往研究中，延長(zhǎng)存儲(chǔ)壽命和提高讀出效率這兩部分往往是分開(kāi)進(jìn)行的，使得存儲(chǔ)壽命和讀出效率這個(gè)兩個(gè)主要指標(biāo)沒(méi)有得到同步提升。具體來(lái)講，在以往實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命量子存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)中，盡管存儲(chǔ)壽命已經(jīng)提升至毫秒量級(jí)以上，但讀出效率卻僅為20%左右；在實(shí)現(xiàn)高效量子存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)中，盡管讀出效率已經(jīng)提升至70%以上，但存儲(chǔ)壽命卻僅有幾百納秒到幾微秒左右。僅單一性能指標(biāo)較好的量子存儲(chǔ)器無(wú)法滿(mǎn)足量子中繼及光學(xué)量子計(jì)算等的實(shí)際應(yīng)用需求。

在提升存儲(chǔ)壽命方面，潘建偉小組在2008年發(fā)現(xiàn)原子團(tuán)內(nèi)的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的自旋波亂相構(gòu)成了限制毫秒級(jí)量子存儲(chǔ)的主要物理機(jī)制，并通過(guò)延長(zhǎng)自旋波波長(zhǎng)的方式成功地提升存儲(chǔ)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(qiáng)的方式可以有效地提升讀出效率。因此，如何將長(zhǎng)壽命量子存儲(chǔ)及腔增強(qiáng)量子存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命高效量子存儲(chǔ)器的關(guān)鍵。

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

潘建偉小組從2005年開(kāi)始在冷原子系綜量子存儲(chǔ)方面開(kāi)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(píng)論快報(bào)》四個(gè)國(guó)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(guó)際上在量子存儲(chǔ)研究方面居于領(lǐng)先地位的幾個(gè)主要研究小組之一。

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