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我国科学家将光存储时间提升至1小时 刷新世界纪录,向实现量子U盘迈出重要一步

中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、周宗权研究组近期将光存储时间提升至1小时,大幅刷新2013年德国团队所创造的光存储1分钟的世界纪录,向实现量子U盘迈出重要一步。该成果日前发表于《自然—通讯》。审稿人认为,“该成果是一个巨大的成就。”

当前,光纤网络遍布全球,光已成为现代信息传输的基本载体。对光的捕获及存储,可以帮助人们更有效地利用光场。光速高达30万公里每秒,降低光速乃至让光停留下来,是国际学术界孜孜以求的目标。光的存储在量子通信领域尤其重要,这是因为基于光量子存储可以构建量子中继,从而克服信道损耗建立起大尺度量子网络。另一种远程量子通信的解决方案是量子U盘,即把光子存储到超长寿命量子存储器中,然后通过直接运输量子U盘来传输量子信息。考虑到飞机和高铁等速度,量子U盘的光存储时间需要达到小时量级。

李传锋、周宗权研究组2015年自制光学拉曼外差探测核磁共振谱仪,专门用于稀土离子掺杂晶体的能级结构分析。依托该仪器,他们精确刻画了掺铕硅酸钇晶体光学跃迁的完整哈密顿量,并在理论上预测了一阶塞曼效应为零(ZEFOZ)磁场下的能级结构。

近期,该课题组结合理论预言首次实验测定掺铕硅酸钇晶体在ZEFOZ磁场下的完整能级结构,并结合原子频率梳(AFC)量子存储方案以及ZEFOZ技术,成功实现光信号的长寿命存储。

实验中,光信号首先被AFC吸收成为铕离子系综的光学激发,接着被转移为自旋激发,经历一系列自旋保护脉冲操作后,最终被读取为光信号,总存储时间长达1小时,且光的相位存储保真度高达96.4 ± 2.5%。

量子U盘在全球卫星量子通信、甚长基线干涉天文测量系统等领域均具有广泛应用。这一成果将光存储时间从分钟量级推进至小时量级,满足了量子U盘对光存储寿命指标的基本需求。接下来,他们将通过优化存储效率及信噪比,有望实现量子U盘,从而可以基于经典运输工具实现量子信息的传输,建立一种全新的量子信道。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-021-22706-y