迈向“量子U盘”重要一步！我国科学家将光存储时间从1分钟提升至1小时，大幅刷新世界纪录

据中国科学技术大学官网4月25日消息，该校郭光灿院士团队在光量子存储领域取得重要突破。该团队李传锋、周宗权研究组将相干光的存储时间提升至1小时，大幅度刷新了2013年德国团队光存储1分钟的世界纪录，向实现量子U盘迈出重要一步。该成果4月22日发表在国际知名期刊《自然·通讯》上。

图片来源：中国科学技术大学官网截图

现在光纤网络遍布全球，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（量子U盘）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的速度，量子U盘的光存储时间需要达到小时量级。

早在1999年，美国哈佛大学团队利用冷原子气体把光速降至17米每秒。2013年德国达姆施塔特大学团队利用掺镨硅酸钇晶体使得光停留了1分钟，创下该领域的世界纪录，然而这一光存储时间仍远低于量子U盘的技术需求。2015年澳大利亚国立大学团队在一阶塞曼效应为零（ZEFOZ）磁场下，观察到掺铕硅酸钇晶体的核自旋相干寿命长达6小时，让人们看到了长寿命光存储的希望。然而由于对该材料的能级结构缺乏了解，至今未能实现长寿命光存储。

李传锋、周宗权研究组长期致力于基于稀土离子掺杂晶体的固态量子存储实验研究。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，研究组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ZEFOZ磁场下的能级结构[Journal of Luminescence 802, 32 (2018)]。近期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。在此基础上，研究组结合了原子频率梳（AFC）量子存储方案以及ZEFOZ技术，成功实现了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。通过加载相位编码，实验证实在经历了1个小时存储后，光的相位存储保真度高达96.4 ± 2.5%。这些结果表明该装置具有极强的相干光存储能力以及用于量子态存储的潜力。

该工作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。近期的理论研究表明，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。

该工作得到审稿人的高度评价：“该成果是一个巨大的成就（a huge achievement）。”“这个工作让人们等待了很久，2015年澳大利亚国立大学团队报道了掺铕硅酸钇晶体在ZEFOZ磁场下具有6小时的自旋相干寿命，然而实际的光信号存储能力至今才终于得到证明（This result was a long time coming, since the ANU group showed in their seminal 2015 paper that the same material used in the current work, Eu:YSO, can maintain spin coherence for 6 hours under a ZEFOZ field and using dynamical decoupling. Actual optical storage in these conditions has proven elusive until now though）。”

存储方案示意图，信号光场（probe）被梳状的原子吸收谱吸收，并被控制光场（control）存储为自旋激发，在射频（RF）场的操控下延长存储时间，最终读取为光信号。

读出光脉冲信号强度与存储时间的关系。

论文第一作者是中科院量子信息重点实验室博士研究生马钰。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、安徽省以及中国科学院的资助。周宗权得到中科院青年创新促进会的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22706-y