中國(guó)科大實(shí)現(xiàn)“無(wú)噪聲光子回波”量子存儲(chǔ)方案 噪聲降低670倍

中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子存儲(chǔ)及量子網(wǎng)絡(luò)研究中取得原創(chuàng)性進(jìn)展。

該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、周宗權(quán)研究組提出并通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)無(wú)噪聲光子回波，實(shí)測(cè)噪聲比前人的結(jié)果降低了 670 倍，首次觀察到單光子的光子回波并由此實(shí)現(xiàn)了高保真度的固態(tài)量子存儲(chǔ)。

光子回波是原子與一系列電磁波脈沖相互作用時(shí)發(fā)出的相干輻射。其作為光與物質(zhì)作用的一種基本物理過(guò)程，已在眾多學(xué)科領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)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(jīng)典領(lǐng)域的應(yīng)用表明光子回波是存儲(chǔ)和操縱光的有力工具，如果把光子回波應(yīng)用到量子領(lǐng)域，則有望實(shí)現(xiàn)任意波段的光量子存儲(chǔ)器，從而建立超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的微波光子學(xué)界面，以及建立基于光波光子的大尺度量子網(wǎng)絡(luò)。

然而強(qiáng)電磁波脈沖作用在原子系綜上，會(huì)給原子上能級(jí)帶來(lái)殘留布居數(shù)，導(dǎo)致自發(fā)輻射噪聲。這從根本上阻止了光子回波應(yīng)用到量子領(lǐng)域。據(jù)了解，此前最低噪聲的光子回波實(shí)驗(yàn)是法國(guó)國(guó)家科學(xué)中心團(tuán)隊(duì)于 2014 年完成的，其背景噪聲超過(guò) 1 個(gè)光子，無(wú)法滿足量子信息應(yīng)用的需求。

在光子回波的研究上，李傳鋒、周宗權(quán)研究組基于四能級(jí)的原子系統(tǒng)提出了 NLPE 方案。該方案創(chuàng)造性地結(jié)合了不同頻的控制脈沖以及兩次重聚過(guò)程，使得發(fā)射光子回波的上能級(jí)與殘留布居的上能級(jí)是不同能級(jí)，所以可通過(guò)頻譜濾波嚴(yán)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(zhì))中實(shí)現(xiàn)了 NLPE 方案，實(shí)測(cè)的背景噪聲為 0.0015 光子，比前人光子回波實(shí)驗(yàn)的噪聲降低了 670 倍。在單光子信號(hào)入射的條件，回波的信噪比達(dá) 42.5，光量子比特的存儲(chǔ)保真度達(dá) 95.2%。

同時(shí)，新的 NLPE 方案在摻銪硅酸釔晶體中的存儲(chǔ)信噪比相比 AFC(Atomic frequency comb，原子頻率梳，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出)提高了 4 倍。NLPE 方案具備高效率、高保真度及易于實(shí)現(xiàn)的特性，在量子優(yōu)盤的應(yīng)用中將具有顯著優(yōu)勢(shì)，這種超低噪聲的光子回波技術(shù)還有望在其他學(xué)科領(lǐng)域的信號(hào)提取等方面激發(fā)出新的應(yīng)用。

▲左圖：NLPE 方案示意圖，信號(hào)光子被原子吸收，經(jīng)過(guò)兩對(duì)控制脈沖的操作后，讀取出回波;右圖：NLPE 的時(shí)序圖(上)，以及實(shí)測(cè)的單光子回波(下)

該成果 7 月 19 日發(fā)表在國(guó)際知名期刊《自然?通訊》上。該工作從方案提出、理論分析到實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)均由該團(tuán)隊(duì)完成，該方案被命名為“Noiseless photon echo”(無(wú)噪聲光子回波，簡(jiǎn)稱 NLPE)并已申請(qǐng)發(fā)明專利，是我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的原創(chuàng)性量子存儲(chǔ)方案。審稿人評(píng)價(jià)稱：這些結(jié)果都是原創(chuàng)的，包括理論方案以及實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，我認(rèn)為它非常有趣;這個(gè)工作開發(fā)出新型存儲(chǔ)方案，是通往高性能量子存儲(chǔ)器的一項(xiàng)重要進(jìn)展;相比原子頻率梳方案，NLPE 方案顯然更容易實(shí)現(xiàn)，并且它對(duì)稀土摻雜晶體有限的光吸收深度實(shí)現(xiàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)家自然科學(xué)基金委、安徽省以及中國(guó)科學(xué)院的資助。周宗權(quán)得到中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的資助。

關(guān)鍵詞： 中國(guó)科大 無(wú)噪聲光子回波 量子存儲(chǔ) 噪聲