來自中國科大的消息顯示，中國科大郭光燦院士團隊在量子存儲及量子網絡研究中取得原創(chuàng)性進展。該團隊李傳鋒、周宗權研究組提出并通過實驗實現無噪聲光子回波，實測噪聲比前人的結果降低了670倍，首次觀察到單光子的光子回波并由此實現了高保真度的固態(tài)量子存儲。
光子回波是原子與一系列電磁波脈沖相互作用時發(fā)出的相干輻射。其作為光與物質作用的一種基本物理過程，已在眾多學科領域取得廣泛應用，例如核磁共振成像（射頻波段）、電子順磁共振譜儀（微波段）以及二維電子光譜（光波段）等。
這些經典領域的應用表明光子回波是存儲和操縱光的有力工具，如果把光子回波應用到量子領域，則有望實現任意波段的光量子存儲器，從而建立超導量子計算機的微波光子學界面，以及建立基于光波光子的大尺度量子網絡。
然而強電磁波脈沖作用在原子系綜上，會給原子上能級帶來殘留布居數，導致自發(fā)輻射噪聲。這從根本上阻止了光子回波應用到量子領域。據了解，此前最低噪聲的光子回波實驗是法國國家科學中心團隊于2014年完成的，其背景噪聲超過1個光子，無法滿足量子信息應用的需求。
在光子回波的研究上，李傳鋒、周宗權研究組基于四能級的原子系統提出了NLPE方案。該方案創(chuàng)造性地結合了不同頻的控制脈沖以及兩次重聚過程，使得發(fā)射光子回波的上能級與殘留布居的上能級是不同能級，所以可通過頻譜濾波嚴格消除自發(fā)輻射噪聲。研究組還在摻銪硅酸釔晶體（量子優(yōu)盤的工作介質）中實現了NLPE方案，實測的背景噪聲為0.0015光子，比前人光子回波實驗的噪聲降低了670倍。在單光子信號入射的條件，回波的信噪比達42.5，光量子比特的存儲保真度達95.2%?！ ?/p>
同時，新的NLPE方案在摻銪硅酸釔晶體中的存儲信噪比相比AFC（Atomic frequency comb，原子頻率梳，瑞士日內瓦大學團隊提出）提高了4倍。NLPE方案具備高效率、高保真度及易于實現的特性，在量子優(yōu)盤的應用中將具有顯著優(yōu)勢，這種超低噪聲的光子回波技術還有望在其他學科領域的信號提取等方面激發(fā)出新的應用。
左圖：NLPE方案示意圖，信號光子被原子吸收，經過兩對控制脈沖的操作后，讀取出回波；右圖：NLPE的時序圖（上），以及實測的單光子回波（下）。
該成果7月19日發(fā)表在國際知名期刊《自然·通訊》上。該工作從方案提出、理論分析到實驗實現均由該團隊完成，該方案被命名為“Noiseless photon echo”（無噪聲光子回波，簡稱NLPE）并已申請發(fā)明專利，是我國具有自主知識產權的原創(chuàng)性量子存儲方案。審稿人評價稱：這些結果都是原創(chuàng)的，包括理論方案以及實驗實現，我認為它非常有趣；這個工作開發(fā)出新型存儲方案，是通往高性能量子存儲器的一項重要進展；相比原子頻率梳方案，NLPE方案顯然更容易實現，并且它對稀土摻雜晶體有限的光吸收深度實現了更高效率的利用。
論文共同第一作者為中科院量子信息重點實驗室博士研究生馬有志、靳明以及中科大本科生陳鐸侖。該工作得到了科技部、國家自然科學基金委、安徽省以及中國科學院的資助。周宗權得到中科院青年創(chuàng)新促進會的資助。（余予）
轉自：C114通信網
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