「留光」1小時(shí)：中科大讓我們離「量子U盤(pán)」又近了一步

「簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，我們就是用一塊晶體把光『存起來(lái)』，一個(gè)小時(shí)后取出來(lái)發(fā)現，它的相位、偏振等狀態(tài)信息還保存得很好?！?/p>

存儲器的功能就是把信息存儲起來(lái)，直到需要用到的時(shí)候再讀出。在量子通信領(lǐng)域，我們也需要一種存儲器。但這種存儲器比較特殊，因為它需要存儲的是光。

科學(xué)家管這種存儲器叫「量子U盤(pán)」。

為什么需要「量子U盤(pán)」？在量子通信中，單個(gè)光子在光纖網(wǎng)絡(luò )中傳輸面臨指數級的損耗：穿越100千米光纖的幾率是百分之一，穿越500千米光纖的幾率降至100億分之一。這使得遠程量子通信難以實(shí)現。因此，科學(xué)家們就想了一種方法：把光子保存起來(lái)，通過(guò)運輸U盤(pán)來(lái)傳輸量子信息。

有了量子U盤(pán)，我們就可以把單個(gè)光子存進(jìn)去，并且在存儲壽命范圍內，利用汽車(chē)、高鐵、飛機等運輸工具把它運輸到任意指定地點(diǎn)。

但這種做法有很大的難度。光在真空中的傳播速度大約是30萬(wàn)公里/秒，要造一個(gè)「量子U盤(pán)」，我們就需要讓光「慢下來(lái)」?？紤]到飛機和高鐵等運輸工具的速度，量子U盤(pán)的光存儲時(shí)間需要達到小時(shí)量級才有實(shí)用價(jià)值。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的李傳鋒、周宗權研究組（郭光燦院士團隊）在這一方面取得突破，將光存儲時(shí)間提升至1小時(shí)，大幅刷新了8年前德國團隊創(chuàng )造的1分鐘的世界紀錄，向實(shí)現量子U盤(pán)邁出重要一步。相關(guān)研究登上了《自然·通訊》期刊。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22706-y

論文第一作者是中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室博士研究生馬鈺。審稿人認為，「該工作是一項巨大的成就」。

「簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，我們就是用一塊晶體把光『存起來(lái)』，一個(gè)小時(shí)后取出來(lái)發(fā)現，它的相位、偏振等狀態(tài)信息還保存得很好?！估顐麂h說(shuō)。

光的狀態(tài)信息很容易消失，這個(gè)研究大大延長(cháng)了保存的時(shí)間，也因此有望催生一系列創(chuàng )新應用。比如，將兩臺相距較遠的望遠鏡捕捉到的光，保存后放到一起進(jìn)行「干涉」處理，可以突破單個(gè)望遠鏡的尺寸局限，大幅提升觀(guān)測的精度。

量子U盤(pán)對構建全球量子通信網(wǎng)具有重要意義。李傳鋒介紹，為實(shí)現量子U盤(pán)，不僅要高精度的「留住光」，還要提升信噪比，這也是他們下一步努力的方向。

量子U盤(pán)有什么用？

現代數字信息處理是基于二進(jìn)制計算機的，所以經(jīng)典的存儲器都是存儲比特的，也就是存儲兩種經(jīng)典狀態(tài)之一：0或者1。大量比特的組合構成我們所需要的信息。計算機內存、硬盤(pán)、傳統U盤(pán)都屬于經(jīng)典的存儲器。

由經(jīng)典信息走向量子信息的時(shí)代，量子存儲器是必不可少的基礎器件。對比經(jīng)典存儲器的功能，量子存儲器應當是可以存儲量子狀態(tài)的，也就是|0?和|1?的任意量子疊加狀態(tài)。量子存儲器在量子信息科學(xué)中具有許多重要功能，包括建立大尺度量子網(wǎng)絡(luò )、構建量子計算機等。

量子存儲器的壽命一般在秒量級及以下，存儲器都是固定在某個(gè)地點(diǎn)配合光子來(lái)實(shí)現諸多功能。2015年，科學(xué)家發(fā)現稀土離子摻雜晶體的自旋態(tài)量子相干壽命長(cháng)達6小時(shí)。這是量子系統相干壽命的最高水平，并且有望進(jìn)一步提升至幾天的量級。該結果對量子信息科學(xué)發(fā)展具有深遠的影響。

一旦有了量子U盤(pán)，我們就可以把單個(gè)光子存進(jìn)去，并且在存儲壽命范圍內利用運輸工具把它運輸到任意指定地點(diǎn)。這是一種革命性的量子通信方案，因為它原則上可以實(shí)現對量子糾纏物體的經(jīng)典搬運。量子通信將不再依賴(lài)光纖布網(wǎng)，任何經(jīng)典交通工具能到達的地方，量子U盤(pán)攜帶量子糾纏就能到達。它將是一種高靈活性且相對低成本的點(diǎn)對點(diǎn)量子通信方式，有望在身份認證、簽名、量子密碼、量子信息共享等各領(lǐng)域取得應用。

如何「留光」一小時(shí)

將相干光的存儲時(shí)間盡可能延長(cháng)是制造量子U盤(pán)的關(guān)鍵。關(guān)于稀土離子摻雜晶體的發(fā)現讓人們看到了長(cháng)壽命光存儲的希望，但由于對該材料的能級結構缺乏了解，科學(xué)家一直未能實(shí)現長(cháng)壽命光存儲。

李傳鋒、周宗權研究組長(cháng)期致力于基于稀土離子摻雜晶體的固態(tài)量子存儲實(shí)驗研究。研究組2015年自制光學(xué)拉曼外差探測核磁共振譜儀，專(zhuān)門(mén)用于稀土離子摻雜晶體的能級結構分析。依托該儀器，研究組精確刻畫(huà)了摻銪硅酸釔晶體光學(xué)躍遷的完整哈密頓量，并在理論上預測了ZEFOZ磁場(chǎng)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(shí)驗測定摻銪硅酸釔晶體在ZEFOZ磁場(chǎng)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(shù)，成功實(shí)現了光信號的長(cháng)壽命存儲。

存儲方案示意圖，信號光場(chǎng)（probe）被梳狀的原子吸收譜吸收，并被控制光場(chǎng)（control）存儲為自旋激發(fā)，在射頻（RF）場(chǎng)的操控下延長(cháng)存儲時(shí)間，最終讀取為光信號。

實(shí)驗中，光信號首先被AFC吸收成為銪離子系綜的光學(xué)激發(fā)，接著(zhù)被轉移為自旋激發(fā)，經(jīng)歷一系列自旋保護脈沖操作后，最終被讀取為光信號，總存儲時(shí)間長(cháng)達1小時(shí)。通過(guò)加載相位編碼，實(shí)驗證實(shí)在經(jīng)歷了1個(gè)小時(shí)存儲后，光的相位存儲保真度高達96.4 ± 2.5%。

讀出光脈沖信號強度與存儲時(shí)間的關(guān)系。

這些結果表明該裝置具有極強的相干光存儲能力以及用于量子態(tài)存儲的潛力。

2020中國創(chuàng )新指數排名全球第14，量子科技成就突出

《2020年全球創(chuàng )新指數（GII）報告》顯示，在全球131個(gè)經(jīng)濟體中，中國保持在全球創(chuàng )新指數榜單第14名。近年來(lái)，中國的這一排名迅速攀升，其中量子科技領(lǐng)域的創(chuàng )新成就尤為突出。

2017年8月，由我國完全自主研制的世界上第一顆量子科學(xué)實(shí)驗衛星「墨子號」在國際上首次成功實(shí)現了千公里級的星地雙向量子通信，標志著(zhù)中國量子通信技術(shù)達到全面領(lǐng)先地位。2020年12月，中國量子計算原型機「九章」問(wèn)世，使我國成為全球第二個(gè)實(shí)現「量子優(yōu)越性」的國家。

2020年8月，郭光燦院士團隊在高維量子通信研究中取得了重要進(jìn)展，該團隊李傳鋒、柳必恒研究組與奧地利Marcus Huber教授研究組合作，首次實(shí)現了高保真度32維量子糾纏態(tài)。此次郭光燦院士團隊在光量子存儲領(lǐng)域取得的突破將是我國量子科技領(lǐng)域又一重要進(jìn)展。

參考鏈接：

https://physics.ustc.edu.cn/2020/0902/c3542a447972/page.htm

https://news.ustc.edu.cn/info/1055/74849.htm

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1698013882347816988&wfr=spider&for=pc

http://lqcc.ustc.edu.cn/index/info/764