超國際紀錄60倍！中科大團隊將光存儲時(shí)間提升至1小時(shí)，真正實(shí)現“把光留住”| 專(zhuān)訪(fǎng)
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“因為光纖傳輸有指數級的衰減，遠距離傳輸單光子基本不可能。而量子 U 盤(pán)能解決遠程傳遞單光子的難題，” 說(shuō)到最近的成果，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)副教授周宗權告訴 DeepTech。
4 月 22 日，郭光燦院士團隊的李傳鋒、周宗權等在光量子存儲領(lǐng)域取得重要突破，其將相干光存儲時(shí)間提升至 1 小時(shí)，創(chuàng )造了新的世界紀錄。
這意味著(zhù)向基于可搬運量子存儲的遠距離量子通信技術(shù)邁出了重要一步。4 月 22 日，相關(guān)論文以“One-hour coherent optical storage in an atomic frequency comb memory”為題發(fā)表在《自然?通訊》上。
多年來(lái)，學(xué)界始終難以建立長(cháng)壽命的相干光儲存系統
無(wú)論是對 “以太” 的著(zhù)迷還是 “波粒二象性” 的爭論，人類(lèi)從未停止過(guò)對光的探究，也在想著(zhù)如何改造、利用甚至征服光。
隨著(zhù)光纖的廣泛使用，光已經(jīng)成為現代信息傳輸的重要載體，在時(shí)下熱門(mén)的 “量子通信” 和 “量子糾纏” 技術(shù)中，光因其優(yōu)良性質(zhì)被很多研究小組選為量子系統的信息載體，光纖也成為其中長(cháng)距離量子通信技術(shù)的重要通道。
然而，長(cháng)距離傳輸的光信號，都將逃不開(kāi)一個(gè)令人頭疼的問(wèn)題 —— 長(cháng)距離傳輸中的信號衰減和失真。量子中繼技術(shù)是一個(gè)解決辦法，即在長(cháng)距離傳輸的中間設立幾個(gè)基于量子存儲器的中繼站，用來(lái)克服損耗建立起遠程的量子糾纏。但是，這樣的做法也因中繼系統太過(guò)復雜目前仍未取得實(shí)際應用。
如果能夠和電子計算機一樣，建立起長(cháng)期穩定可靠的光量子儲存系統，一切問(wèn)題就迎刃而解了。如此一來(lái)，我們就能通過(guò)傳遞光量子存儲的實(shí)體來(lái)傳遞量子信息，又或者建立配置有光量子存儲系統的衛星來(lái)實(shí)現全球范圍的量子通信。
光量子存儲看上去很簡(jiǎn)單，就是將光存儲起來(lái)，然后再發(fā)出去就好了，那我們用一塊太陽(yáng)能電池和 LED 就能實(shí)現了么？比如說(shuō)《國產(chǎn)凌凌漆》中的太陽(yáng)能手電筒。
其實(shí)不然，太陽(yáng)能電池存儲的只是光的能量，并不能加載量子信息。而可以加載量子信息的是光的位相，如果位相發(fā)生變化，信息就會(huì )失真，存儲也會(huì )失敗。相干光存儲，指的是可以存儲光位相的存儲器，當入射光場(chǎng)弱至單個(gè)光子水平時(shí)，它就是光量子存儲器。
只有讓這一存儲的時(shí)長(cháng)達到秒級以上，才能逐漸使得這樣的技術(shù)投入應用，這跟把電能存儲在電容器、或電池中是一樣的。
科學(xué)家們想了很多辦法，最直接的就是將光變慢，然后將其禁錮起來(lái)。1999 年，哈佛大學(xué)團隊使用外加磁場(chǎng)的冷原子氣體，把光速降到 17 米每秒，相關(guān)論文登上 Nature 封面，封面圖內容是一輛自行車(chē)在和光賽跑。
接著(zhù)，在 2001 年的實(shí)驗中，他們將光信號存儲起來(lái)起來(lái)，束縛在一定空間內。不過(guò)，該實(shí)驗方案的光存儲時(shí)間只在幾千分之一秒量級，與長(cháng)期存儲還相去甚遠。
時(shí)間來(lái)到 2013 年，德國達姆施塔特大學(xué)團隊采用基于摻鐠硅酸釔晶體（Pr3+:Y2SiO5）系統，利用其電磁誘導透明效應，建立了光 - 自旋激發(fā)、并將光存儲在其中，最終停留了 1 分鐘，這創(chuàng )下了當時(shí)該領(lǐng)域的世界紀錄。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，德國團隊建立了一個(gè)光學(xué)的 “冰箱”，這個(gè)冰箱就是摻鐠硅酸釔晶體（Pr3+:Y2SiO5）。
整個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是三步走，第一步把 “冰箱門(mén)” 打開(kāi)，第二步把光放進(jìn)去，第三步把 “冰箱門(mén)” 關(guān)上。其中的磁誘導透明效應，是控制 “冰箱門(mén)” 的關(guān)鍵，有此效應的介質(zhì)在特定條件下，不會(huì )吸收某特定頻率的光。
實(shí)驗中，該團隊把一束控制激光射向晶體，觸發(fā)其電磁誘導透明效應，使晶體不會(huì )吸收某些頻率的光，也就是會(huì )變得透明。
隨后，他們用特定頻率的第二束光承載信息，照射透明的晶體，接著(zhù)關(guān)閉控制激光束，讓晶體變回不透明狀。這就將光存儲在晶體之中，其中光信號的能量被晶體中的其他原子吸收，而其中信息也轉化成了原子自旋激發(fā)。
到了讀取階段，再重新開(kāi)啟控制激光束，打開(kāi)導出光路，將原子自旋激發(fā)重新釋放給光子，如此就能導出光信號。研究人員重復了多次實(shí)驗，發(fā)現這些原子自旋激發(fā)可以實(shí)現光的相干存儲的時(shí)間為一分鐘，一旦超過(guò)這個(gè)時(shí)間，重新讀取的信息就會(huì )失真。
這給后人留下了啟示，即可以將光導入到一種特殊材料中，并用某些控制手段讓其全部存留在其中，從而被材料吸收。
如果用相應手段導出的光，在歷經(jīng)長(cháng)時(shí)間后仍然保持相干性，光量子儲存技術(shù)就成型了，只是這種新材料和相應的控制技術(shù)并不好找。
輪到中科大團隊出場(chǎng)！
據了解，中科大李傳鋒、周宗權課題組，一直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，為此他們瞄準了摻銪硅酸釔晶體（Eu3+:Y2SiO5）。
周宗權告訴 DeepTech：“本次光儲存方案的關(guān)鍵之一就是材料的選擇，摻鐠硅酸釔晶體的極限只能做到 1 分鐘，摻銪硅酸釔晶體其實(shí)是能夠做到一個(gè)月的?！?/strong>
而選擇摻銪硅酸釔晶體的原因之一，也是因為關(guān)注到了澳大利亞國立大學(xué)團隊在 2015 年做出的成果，澳洲團隊在一階塞曼效應為零（ZEFOZ）磁場(chǎng)下，觀(guān)察到摻銪硅酸釔晶體的核自旋相干壽命可以達到 6 小時(shí)。但是，他們并未對該材料的能級結構，做出正確和完整的分析、也沒(méi)有實(shí)現光存儲。
同樣在 2015 年，周宗權所在團隊開(kāi)始自研一臺光學(xué)拉曼外差探測核磁共振譜儀，基于摻銪硅酸釔晶體的核磁共振數據，他們精確刻畫(huà)出摻銪硅酸釔晶體光學(xué)躍遷的完整哈密頓量，并于 2018 年在理論上預測了 ZEFOZ 磁場(chǎng)下的能級結構，接著(zhù)又首次實(shí)驗測定了、摻銪硅酸釔晶體在 ZEFOZ 磁場(chǎng)下的完整能級結構。
有了能級結構，就有了攻克光量子存儲這一 “堡壘” 的地圖。能級之間的能量變化正好能夠有指向性地對應一些特定頻率的光，知曉能級結構則是控制光信息的導入和導出的第一步。
在此基礎上，本次團隊結合了原子頻率梳（AFC）量子存儲方案和 ZEFOZ 技術(shù)，攻克了光信號的長(cháng)壽命存儲難題。其中原子頻率梳技術(shù)，可以認為是一項極其精確的操控原子的技術(shù)，可用于捕捉光信號。
周宗權表示：“原子頻率梳技術(shù)是目前唯一一種能夠在稀土離子摻雜晶體中成功實(shí)現長(cháng)壽命光量子存儲的方案?！?/strong>
具體而言，實(shí)驗中的光信號（下圖中 Probe）首先被 AFC（下圖中 | 3>g 態(tài)）吸收成為銪離子系綜的光學(xué)激發(fā)（下圖中 | 3>e 態(tài)），接著(zhù)被控制信號（下圖中 Control）轉移為自旋激發(fā)（下圖中 | 4>g 態(tài)）。
經(jīng)歷一系列的自旋保護脈沖操作后，最終可讀取出光信號，總存儲時(shí)間長(cháng)達 1 小時(shí)。值得一提的是，其中用作保護和延長(cháng)存儲壽命的是基于射頻（RF）信號的動(dòng)態(tài)解耦（Dynamical Decoupling）技術(shù)實(shí)現的。
雖然是最后一個(gè)環(huán)節，但是也是相當重要，周宗權告訴 DeepTech：“在晶體中有很多鐿原子，其核自旋在不停翻轉，它們就構成了晶體內部的擾動(dòng)磁場(chǎng)，會(huì )使得這個(gè)銪離子的核自旋退相干。所以我們基于前人的成果，在這里加入了一個(gè)周期性的翻轉信號，讓這個(gè)擾動(dòng)磁場(chǎng)的效果在整體積分層面上來(lái)看消失?！?/span>
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是在外部加入了翻轉信號來(lái)減少背景噪聲對于信號的影響，從而延長(cháng)光量子存儲的壽命。
最后，研究小組將光信號讀出，實(shí)驗證實(shí)在經(jīng)歷了 1 個(gè)小時(shí)存儲后，光的位相存儲保真度高達 96.4 ± 2.5%，這說(shuō)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。
周宗權表示，論文發(fā)布后，國際學(xué)術(shù)界還提出了一些意外的新應用場(chǎng)景，比如在甚長(cháng)基線(xiàn)干涉儀的天文望遠鏡中，可以利用量子 U 盤(pán)運輸光場(chǎng)來(lái)擴大干涉儀的尺寸，從而大幅地提高光學(xué)望遠鏡的分辨率
即將研發(fā)量子 U 盤(pán)原型機
對于可能的應用，他說(shuō)：“沿著(zhù)遠程量子通信這條路走下去，那么就只有兩個(gè)方向，量子中繼和量子 U 盤(pán)?！?nbsp;
具體而言，如果在量子中繼衛星上部署光量子存儲技術(shù)，一小時(shí)的存儲時(shí)間足以讓一個(gè)衛星從西半球覆蓋到東半球，形成全球范圍的覆蓋。
量子 U 盤(pán)則是量子技術(shù)中出現的專(zhuān)屬存儲方式，擁有著(zhù)基于量子力學(xué)原理的安全性，就像是一個(gè)有高級密鑰的 U 盤(pán)
談及未來(lái)發(fā)展，周宗權告訴 DeepTech：“對于衛星而言，一小時(shí)的存儲時(shí)間是足夠長(cháng)的。但是，地面上的話(huà)，高鐵一小時(shí)也只能跑 200~300 公里，這還遠遠不夠，如何拓展光存儲時(shí)間和制作量子 U 盤(pán)原型機也是接下來(lái)我們專(zhuān)注研究的方向?！?/span>
相比普通 U 盤(pán)，量子 U 盤(pán)不用擔心數據被人竊取，更不用擔心丟失，即便不小心丟了也只是丟了一個(gè) U 盤(pán)外殼而已，里面的數據不會(huì )被任何人竊取。
下一步，他計劃先在實(shí)驗室研發(fā)出量子 U 盤(pán)原型機，未來(lái)期望能真正走向實(shí)用。
-End-
參考：
Hau, L., Harris, S., Dutton, Z. et al. Light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomic gas. Nature 397, 594–598 (1999). https://doi.org/10.1038/17561
Heinze G , Hubrich C , Halfmann T . Stopped Light and Image Storage by Electromagnetically Induced Transparency up to the Regime of One Minute [J]. Physical Review Letters, 2013, 111 (3):033601.
Chanelière, T., Matsukevich, D., Jenkins, S. et al. Storage and retrieval of single photons transmitted between remote quantum memories. Nature 438, 833–836 (2005). https://doi.org/10.1038/nature04315
Ma, Y., Ma, YZ., Zhou, ZQ. et al. One-hour coherent optical storage in an atomic frequency comb memory. Nat Commun 12, 2381 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-22706-y
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