高性能量子存儲(chǔ)研究的新進(jìn)展

  量子存儲(chǔ)是量子信息處理的核心技術(shù)。自量子信息概念提出伊始，就一直是該領(lǐng)域關(guān)注的研究焦點(diǎn)之一。目前國(guó)際上已有多個(gè)研究小組在不同系統(tǒng)中取得了重要的進(jìn)展，但是同時(shí)兼顧存儲(chǔ)效率、信息帶寬以及量子保真度的高性能量子存儲(chǔ)還存在技術(shù)瓶頸。

  高效率、大帶寬的量子存儲(chǔ)器是實(shí)現(xiàn)量子通信和量子計(jì)算不可或缺的重要部件。而實(shí)現(xiàn)操作時(shí)間僅為納秒量級(jí)(帶寬達(dá)到GHz)的高效量子存儲(chǔ)技術(shù)是高速量子信息處理技術(shù)走向應(yīng)用亟需攻克的技術(shù)難點(diǎn)之一。在目前基于原子系統(tǒng)的眾多量子存儲(chǔ)方案中，只有遠(yuǎn)失諧量子存儲(chǔ)方案的帶寬能夠達(dá)到GHz，其帶寬優(yōu)勢(shì)明顯超越電磁誘導(dǎo)透明、光子回波等共振量子存儲(chǔ)方案。然而由于光與原子的遠(yuǎn)離共振相互作用帶來(lái)諸多技術(shù)限制，存儲(chǔ)效率一直未能突破30%。

  上海交通大學(xué)張衛(wèi)平教授和華東師范大學(xué)陳麗清教授聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，利用堿金屬銣原子中的拉曼效應(yīng)與絕熱光學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)相結(jié)合，在高性能量子存儲(chǔ)研究中取得了突破性實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了效率高達(dá)82%的寬帶光量子存儲(chǔ)，獲得98%的單光子水平量子保真度。這一成果突破了現(xiàn)有量子存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)的技術(shù)瓶頸，為高效、寬帶、保真的高性能量子信息存儲(chǔ)提供了新的技術(shù)手段。

圖1 遠(yuǎn)失諧光量子存儲(chǔ)的原理示意圖

  為了解決寬帶量子存儲(chǔ)的效率問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)，細(xì)致分析了在光與原子量子耦合過(guò)程中，泵浦光場(chǎng)、控制光場(chǎng)與原子自旋波激發(fā)的關(guān)聯(lián)機(jī)制，從而掌握了最大優(yōu)化量子轉(zhuǎn)換的實(shí)際條件與方法。通過(guò)優(yōu)化，實(shí)時(shí)操控光和原子的分束比，有效掌控遠(yuǎn)失諧光量子信息向原子存儲(chǔ)器轉(zhuǎn)換的效率。理論上，針對(duì)任意波形待存儲(chǔ)的光量子信息模擬給出最優(yōu)的控制光場(chǎng)波形，實(shí)驗(yàn)上逐步研究不同控制光時(shí)間波形對(duì)存儲(chǔ)效率帶來(lái)的差異性，由此確證了優(yōu)化控制光場(chǎng)波形與高效存儲(chǔ)的直接關(guān)聯(lián)性，最終實(shí)現(xiàn)了6-20 ns多種脈寬的光信號(hào)存儲(chǔ)，且量子效率均達(dá)82.0%以上。原子系綜存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)時(shí)間受原子相干時(shí)間限制，通常為微秒量級(jí)。在存儲(chǔ)時(shí)間內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)近百個(gè)納秒量級(jí)寬度的光量子存儲(chǔ)。此外，團(tuán)隊(duì)對(duì)寬帶存儲(chǔ)信號(hào)的量子特性也進(jìn)行了量子表征研究。利用量子態(tài)層析技術(shù)(quantum tomography)，通過(guò)對(duì)輸入輸出信號(hào)光場(chǎng)的量子態(tài)進(jìn)行層析掃描，結(jié)果表明在高效量子存儲(chǔ)條件下，存儲(chǔ)系統(tǒng)也具備低噪聲特性，噪聲僅為0.02個(gè)光子/每存儲(chǔ)過(guò)程。這也保證了在單光子水平的信號(hào)光場(chǎng)強(qiáng)度下，系統(tǒng)的量子保真度能夠達(dá)到98%。

圖2(a)輸入輸出信號(hào)光場(chǎng)的正交分量掃描結(jié)果;(b)密度矩陣。

  此項(xiàng)工作有望進(jìn)一步推動(dòng)寬帶量子存儲(chǔ)技術(shù)的研究和發(fā)展，為量子技術(shù)在量子通信、量子計(jì)算和量子測(cè)量等領(lǐng)域的實(shí)用化開(kāi)辟新的道路。該研究成果以“High-performance Raman quantum memory with optimal control in roomtemperature atoms”為題，于2019年1月11日在線發(fā)表于NatureCommunications (10: 148, 2019)上。該成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，以及上海市量子信息技術(shù)重大專項(xiàng)等的支持。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-08118-5