按需式讀取可集成固態(tài)量子存儲(chǔ)器問世 保真度達(dá)99.3%±0.2%

來自中國科大的消息顯示，近日，中國科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)李傳鋒、周宗權(quán)研究組在量子存儲(chǔ)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，首次實(shí)現(xiàn)了按需式讀取的可集成固態(tài)量子存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)保真度達(dá)到 99.3%±0.2%。該結(jié)果接近研究組 2012 年在塊狀晶體中創(chuàng)下的量子存儲(chǔ)保真度的最高紀(jì)錄(99.9%，PRL108, 190505)。

量子存儲(chǔ)器是構(gòu)建大尺度量子網(wǎng)絡(luò)的核心器件，基于量子存儲(chǔ)器的量子中繼或量子 U 盤可以有效地克服信道損耗，拓展量子網(wǎng)絡(luò)的工作距離;按需式讀取則是指光子寫入存儲(chǔ)器以后再根據(jù)需求決定讀出的時(shí)間，它對(duì)實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)中的同步操作等功能至關(guān)重要。

量子存儲(chǔ)器方面，李傳鋒、周宗權(quán)研究組長期致力于基于稀土摻雜晶體的固態(tài)量子存儲(chǔ)器的實(shí)驗(yàn)研究。為提升量子存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量，滿足規(guī)模化應(yīng)用的需求，近年來發(fā)展了激光直寫技術(shù)，在稀土摻雜晶體上制備可集成量子存儲(chǔ)器。

對(duì)于按需讀取，目前國際上已有的可集成固態(tài)量子存儲(chǔ)器都是基于簡單的原子頻率梳方案，其讀出時(shí)間是在光子寫入之前預(yù)先設(shè)定的，無法按需讀取。為實(shí)現(xiàn)按需式讀取，研究組采用電場調(diào)制的原子頻率梳方案，通過引入兩個(gè)電脈沖，利用斯塔克效應(yīng)實(shí)時(shí)操控稀土離子的演化從而控制存儲(chǔ)器的讀出時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)光路圖和顯微鏡下集成量子存儲(chǔ)器照片

該成果 12 月 28 日發(fā)表在國際知名期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上，其對(duì)大容量量子存儲(chǔ)和構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)均有重要意義。審稿人稱，“這個(gè)實(shí)驗(yàn)很重要，因?yàn)橹翱杉晒虘B(tài)量子存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)都局限于演示提前確定的讀取時(shí)間。”;“這項(xiàng)工作是量子存儲(chǔ)領(lǐng)域的一個(gè)重要進(jìn)展，并將引起科學(xué)界的廣泛興趣。”

文章的共同第一作者是中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究生劉超和朱天翔。該工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、安徽省以及中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的資助。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李傳鋒研究組，在固態(tài)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了目前世界上最高保真度的量子存儲(chǔ)器，保真度高達(dá) 99.9%。

在實(shí)驗(yàn)中，他們摒棄了傳統(tǒng)的固態(tài)量子存儲(chǔ)方案中使用的共線式光路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出了交叉式光路，使得預(yù)處理用的泵浦光與待存儲(chǔ)的光不再重合，從而降低了泵浦光帶來的噪聲，極大地提高了存儲(chǔ)器的保真度。他們利用量子過程層析技術(shù)分析驗(yàn)證該存儲(chǔ)器的保真度可達(dá) 99.9%，遠(yuǎn)高于此前單光子偏振存儲(chǔ) 95% 的最高保真度，是當(dāng)前國際上各種量子存儲(chǔ)器中保真度最高的。審稿人稱贊說：“本工作新穎地解決了在固態(tài)器件中存儲(chǔ)偏振比特的重要問題”。

該研究首次實(shí)現(xiàn)了光子偏振態(tài)的固態(tài)量子存儲(chǔ)，對(duì)進(jìn)一步提高量子通信網(wǎng)絡(luò)、分布式量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)等元件的小型化和集成化具有重要意義。同時(shí)，此超高保真度量子存儲(chǔ)可應(yīng)用于容錯(cuò)量子計(jì)算等具有苛刻要求的研究領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞： 量子存儲(chǔ)器