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經過課題組成員的艱苦努力，并通過一系列其他技術難題的攻克，潘建偉小組最終成功實現了3.2毫秒的存儲壽命及73%的讀出效率。該成果為目前國際上量子存儲綜合性能指標最好的實驗結果。論文審稿人認為該工作“是朝向可升級量子信息處理方向的重要研究成果”，“開啟了利用多個原子系綜研究復雜量子信息方案的大門”。 中國科學技術大學微尺度物質科學國家實驗室潘建偉院士及其同事包小輝、趙博等同德國研究人員合作實驗實現了具有高讀出效率及長存儲壽命的高性能量子存儲器。該實驗在國際上首次將長存儲壽命和高讀出效率在單個存儲器內結合起來，向可升級長程量子通信及可升級光學量子計算邁出了至關重要的一步。該工作于5月20日發表于英國《自然》雜志的子刊《自然•物理學》上。 量子存儲器的主要用途是存儲單個量子態，從而實現不同量子操作的時間同步。量子存儲器是量子中繼及大尺度光學量子計算中的關鍵器件，其核心性能指標是存儲壽命和讀出效率。目前，量子存儲器已經在冷原子系綜、熱原子系綜、單個中性原子、低溫固體、金剛石色心等體系中實現。從其核心性能指標來看，冷原子系綜的發展水平遠優于其他實驗體系，最有希望被用于可升級量子通信和光學量子計算。因此，冷原子系綜體系一直是國際上量子存儲及其應用方面的主要研究熱點。到目前為止，作為量子存儲器最重要應用之一的量子中繼單元也僅在冷原子系綜體系內被實現。 在以往研究中，延長存儲壽命和提高讀出效率這兩部分往往是分開進行的，使得存儲壽命和讀出效率這個兩個主要指標沒有得到同步提升。具體來講，在以往實現長壽命量子存儲的實驗中，盡管存儲壽命已經提升至毫秒量級以上，但讀出效率卻僅為20%左右；在實現高效量子存儲的實驗中，盡管讀出效率已經提升至70%以上，但存儲壽命卻僅有幾百納秒到幾微秒左右。僅單一性能指標較好的量子存儲器無法滿足量子中繼及光學量子計算等的實際應用需求。 在提升存儲壽命方面，潘建偉小組在2008年發現原子團內的隨機運動帶來的自旋波亂相構成了限制毫秒級量子存儲的主要物理機制，并通過延長自旋波波長的方式成功地提升存儲壽命至1毫秒。在提升讀出效率方面，相關研究結果表明，利用光腔增強的方式可以有效地提升讀出效率。因此，如何將長壽命量子存儲及腔增強量子存儲這兩部分的方法、技術相結合，是在冷原子系綜體系內實現長壽命高效量子存儲器的關鍵。 為了延長自旋波波長，需要采用共線讀寫的幾何結構。為了區分前向散射與背向散射過程，需要采用環形腔共振技術。這兩部分相結合帶來的一個重要技術難題是：需要實現環形腔與四個模式的同時共振。潘建偉小組通過巧妙的方案設計將這一四重共振的技術難題簡化為雙重共振，降低了實驗難度。經過課題組成員的艱苦努力，并通過一系列其他技術難題的攻克，潘建偉小組最終成功實現了3.2毫秒的存儲壽命及73%的讀出效率。該成果為目前國際上量子存儲綜合性能指標最好的實驗結果。論文審稿人認為該工作“是朝向可升級量子信息處理方向的重要研究成果”，“開啟了利用多個原子系綜研究復雜量子信息方案的大門”。 潘建偉小組從2005年開始在冷原子系綜量子存儲方面開展了系統性研究，迄今為止已經在《自然》、《自然•物理學》、《自然•光子學》和《物理評論快報》四個國際著名學術期刊上發表高水平論文十余篇，是目前國際上在量子存儲研究方面居于領先地位的幾個主要研究小組之一。 （微尺度物質科學國家實驗室） |
