高性能量子存儲研究的新進(jìn)展

  量子存儲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。目前國際上已有多個(gè)研究小組在不同系統中取得了重要的進(jìn)展，但是同時(shí)兼顧存儲效率、信息帶寬以及量子保真度的高性能量子存儲還存在技術(shù)瓶頸。

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

  上海交通大學(xué)張衛平教授和華東師范大學(xué)陳麗清教授聯(lián)合研究團隊，利用堿金屬銣原子中的拉曼效應與絕熱光學(xué)轉換技術(shù)相結合，在高性能量子存儲研究中取得了突破性實(shí)驗進(jìn)展，實(shí)現了效率高達82%的寬帶光量子存儲，獲得98%的單光子水平量子保真度。這一成果突破了現有量子存儲實(shí)驗的技術(shù)瓶頸，為高效、寬帶、保真的高性能量子信息存儲提供了新的技術(shù)手段。

圖1 遠失諧光量子存儲的原理示意圖

  為了解決寬帶量子存儲的效率問(wèn)題，研究團隊通過(guò)理論與實(shí)驗，細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)機制，從而掌握了最大優(yōu)化量子轉換的實(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，有效掌控遠失諧光量子信息向原子存儲器轉換的效率。理論上，針對任意波形待存儲的光量子信息模擬給出最優(yōu)的控制光場(chǎng)波形，實(shí)驗上逐步研究不同控制光時(shí)間波形對存儲效率帶來(lái)的差異性，由此確證了優(yōu)化控制光場(chǎng)波形與高效存儲的直接關(guān)聯(lián)性，最終實(shí)現了6-20 ns多種脈寬的光信號存儲，且量子效率均達82.0%以上。原子系綜存儲器的存儲時(shí)間受原子相干時(shí)間限制，通常為微秒量級。在存儲時(shí)間內能夠實(shí)現連續近百個(gè)納秒量級寬度的光量子存儲。此外，團隊對寬帶存儲信號的量子特性也進(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)對輸入輸出信號光場(chǎng)的量子態(tài)進(jìn)行層析掃描，結果表明在高效量子存儲條件下，存儲系統也具備低噪聲特性，噪聲僅為0.02個(gè)光子/每存儲過(guò)程。這也保證了在單光子水平的信號光場(chǎng)強度下，系統的量子保真度能夠達到98%。

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

  此項工作有望進(jìn)一步推動(dòng)寬帶量子存儲技術(shù)的研究和發(fā)展，為量子技術(shù)在量子通信、量子計算和量子測量等領(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(xiàn)發(fā)表于NatureCommunications (10: 148, 2019)上。該成果得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃，以及上海市量子信息技術(shù)重大專(zhuān)項等的支持。

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