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    原創(chuàng)性進(jìn)展!中國科大提出并實現(xiàn)“無噪聲光子回波”量子存儲方案

    7月21日消息(余予)來自中國科大的消息顯示,中國科大郭光燦院士團(tuán)隊在量子存儲及量子網(wǎng)絡(luò)研究中取得原創(chuàng)性進(jìn)展。該團(tuán)隊李傳鋒、周宗權(quán)研究組提出并通過實驗實現(xiàn)無噪聲光子回波,實測噪聲比前人的結(jié)果降低了670倍,首次觀察到單光子的光子回波并由此實現(xiàn)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(zhì)作用的一種基本物理過程,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,則有望實現(xiàn)任意波段的光量子存儲器,從而建立超導(dǎo)量子計算機的微波光子學(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(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驗是法國國家科學(xué)中心團(tuán)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(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(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))中實現(xiàn)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(dá)42.5,光量子比特的存儲保真度達(dá)95.2%。

    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(nèi)瓦大學(xué)團(tuán)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(xiàn)的特性,在量子優(yōu)盤的應(yīng)用中將具有顯著優(yōu)勢,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)域的信號提取等方面激發(fā)出新的應(yīng)用。

    左圖:NLPE方案示意圖,信號光子被原子吸收,經(jīng)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(xiàn)均由該團(tuán)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(chǎn)權(quán)的原創(chuàng)性量子存儲方案。審稿人評價稱:這些結(jié)果都是原創(chuàng)的,包括理論方案以及實驗實現(xiàn),我認(rèn)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(jìn)展;相比原子頻率梳方案,NLPE方案顯然更容易實現(xiàn),并且它對稀土摻雜晶體有限的光吸收深度實現(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(xué)基金委、安徽省以及中國科學(xué)院的資助。周宗權(quán)得到中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會的資助。

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    2021-07-21
    原創(chuàng)性進(jìn)展!中國科大提出并實現(xiàn)“無噪聲光子回波”量子存儲方案
    原創(chuàng)性進(jìn)展!中國科大提出并實現(xiàn)“無噪聲光子回波”量子存儲方案,C114訊 7月21日消息(余予)來自中國科大的消息顯示,中國科大郭光燦院士團(tuán)隊在量子存儲及量子網(wǎng)絡(luò)

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