超国际纪录60倍！中科大团队将光存储时间提升至1小时 专访

　　“因为光纤传输有指数级的衰减，远距离传输单光子基本不可能。而量子 U 盘能解决远程传递单光子的难题，” 说到最近的成果，中国科学技术大学副教授周宗权告诉 DeepTech。

　　图 | 论文作者：依次为马钰、李传锋、郭光灿、周宗权（来源：作者提供）

　　4 月 22 日，郭光灿院士团队的李传锋、周宗权等在光量子存储领域取得重要突破，其将相干光存储时间提升至 1 小时，创造了新的世界纪录。

　　这意味着向基于可搬运量子存储的远距离量子通信技术迈出了重要一步。4 月 22 日，相关论文以“One-hour coherent optical storage in an atomic frequency comb memory”为题发表在《自然・通讯》上。

　　图 | 相关论文（来源：受访者）

　　多年来，学界始终难以建立长寿命的相干光储存系统

　　无论是对 “以太” 的着迷还是 “波粒二象性” 的争论，人类从未停止过对光的探究，也在想着如何改造、利用甚至征服光。

　　随着光纤的广泛使用，光已经成为现代信息传输的重要载体，在时下热门的 “量子通信” 和 “量子纠缠” 技术中，光因其优良性质被很多研究小组选为量子系统的信息载体，光纤也成为其中长距离量子通信技术的重要通道。

　　图 | 量子技术（来源：Pixabay）

　　然而，长距离传输的光信号，都将逃不开一个令人头疼的问题 —— 长距离传输中的信号衰减和失真。量子中继技术是一个解决办法，即在长距离传输的中间设立几个基于量子存储器的中继站，用来克服损耗建立起远程的量子纠缠。但是，这样的做法也因中继系统太过复杂目前仍未取得实际应用。

　　如果能够和电子计算机一样，建立起长期稳定可靠的光量子储存系统，一切问题就迎刃而解了。如此一来，我们就能通过传递光量子存储的实体来传递量子信息，又或者建立配置有光量子存储系统的卫星来实现全球范围的量子通信。

　　光量子存储看上去很简单，就是将光存储起来，然后再发出去就好了，那我们用一块太阳能电池和 LED 就能实现了么？比如说《国产凌凌漆》中的太阳能手电筒。

　　图 | 太阳能手电筒（来源：网络）

　　其实不然，太阳能电池存储的只是光的能量，并不能加载量子信息。而可以加载量子信息的是光的位相，如果位相发生变化，信息就会失真，存储也会失败。相干光存储，指的是可以存储光位相的存储器，当入射光场弱至单个光子水平时，它就是光量子存储器。

　　只有让这一存储的时长达到秒级以上，才能逐渐使得这样的技术投入应用，这跟把电能存储在电容器、或电池中是一样的。

　　科学家们想了很多办法，最直接的就是将光变慢，然后将其禁锢起来。1999 年，哈佛大学团队使用外加磁场的冷原子气体，把光速降到 17 米每秒，相关论文登上 Nature 封面，封面图内容是一辆自行车在和光赛跑。

　　图 | 哈佛大学团队发在 Nature 的论文（来源：Nature）

　　接着，在 2001 年的实验中，他们将光信号存储起来，束缚在一定空间内。不过，该实验方案的光存储时间只在几千分之一秒量级，与长期存储还相去甚远。

　　时间来到 2013 年，德国达姆施塔特大学团队采用基于掺镨硅酸钇晶体（Pr3+:Y2SiO5）系统，利用其电磁诱导透明效应，建立了光 - 自旋激发、并将光存储在其中，最终停留了 1 分钟，这创下了当时该领域的世界纪录。

　　简单来说，德国团队建立了一个光学的 “冰箱”，这个冰箱就是掺镨硅酸钇晶体（Pr3+:Y2SiO5）。

　　整个过程简单来说就是三步走，第一步把 “冰箱门” 打开，第二步把光放进去，第三步把 “冰箱门” 关上。其中的磁诱导透明效应，是控制 “冰箱门” 的关键，有磁效应的介质在特定条件下，不会吸收某特定频率的光。

　　图 | 光的传播（来源：Pixabay）

　　实验中，该团队把一束控制激光射向晶体，触发其电磁诱导透明效应，使晶体不会吸收某些频率的光，也就是会变得透明。

　　随后，他们用特定频率的第二束光承载信息，照射透明的晶体，接着关闭控制激光束，让晶体变回不透明状。这就将光存储在晶体之中，其中光信号的能量被晶体中的其他原子吸收，而其中信息也转化成了原子自旋激发。

　　到了读取阶段，再重新开启控制激光束，打开导出光路，将原子自旋激发重新释放给光子，如此就能导出光信号。研究人员重复了多次实验，发现这些原子自旋激发可以实现光的相干存储的时间为一分钟，一旦超过这个时间，重新读取的信息就会失真。

　　图 | 德国达姆施塔特大学团队光储存方案光路示意图（来源：网络）

　　这给后人留下了启示，即可以将光导入到一种特殊材料中，并用某些控制手段让其全部存留在其中，从而被材料吸收。

　　如果用相应手段导出的光，在历经长时间后仍然保持相干性，光量子储存技术就成型了，只是这种新材料和相应的控制技术并不好找。

　　轮到中科大团队出场！

　　据了解，中科大李传锋、周宗权课题组，一直致力于基于稀土离子掺杂晶体的固态量子存储实验研究，为此他们瞄准了掺铕硅酸钇晶体（Eu3+:Y2SiO5）。

　　周宗权告诉 DeepTech：“本次光储存方案的关键之一就是材料的选择，掺镨硅酸钇晶体的极限只能做到 1 分钟，掺铕硅酸钇晶体其实是能够做到一个月的。”

　　而选择掺铕硅酸钇晶体的原因之一，也是因为关注到了澳大利亚国立大学团队在 2015 年做出的成果，澳洲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可以达到 6 小时。但是，他们并未对该材料的能级结构，做出正确和完整的分析、也没有实现光存储。

　　同样在 2015 年，周宗权所在团队开始自研一台光学拉曼外差探测核磁共振谱仪，基于掺铕硅酸钇晶体的核磁共振数据，他们精确刻画出掺铕硅酸钇晶体光学跃迁的完整哈密顿量，并于 2018 年在理论上预测了 ZEFOZ 磁场下的能级结构，接着又首次实验测定了、掺铕硅酸钇晶体在 ZEFOZ 磁场下的完整能级结构。

　　有了能级结构，就有了攻克光量子存储这一 “堡垒” 的地图。能级之间的能量变化正好能够有指向性地对应一些特定频率的光，知晓能级结构则是控制光信息的导入和导出的第一步。

　　图 | 中科大团队光量子储存方案：a.ZEFOZ 磁场下的能级结构；b. 系统光路示意图（来源：受访者）

　　在此基础上，本次团队结合了原子频率梳（AFC）量子存储方案和 ZEFOZ 技术，攻克了光信号的长寿命存储难题。其中原子频率梳技术，可以认为是一项极其精确的操控原子的技术，可用于捕捉光信号。

　　周宗权表示：“原子频率梳技术是目前唯一一种能够在稀土离子掺杂晶体中成功实现长寿命光量子存储的方案。”

　　（来源：受访者）

　　具体而言，实验中的光信号（下图中 Probe）首先被 AFC（下图中 | 3>g 态）吸收成为铕离子系综的光学激发（下图中 | 3>e 态），接着被控制信号（下图中 Control）转移为自旋激发（下图中 | 4>g 态）。

　　图 | 光量子存储方案示意图（来源：中科大）

　　经历一系列的自旋保护脉冲操作后，最终可读取出光信号，总存储时间长达 1 小时。值得一提的是，其中用作保护和延长存储寿命的是基于射频（RF）信号的动态解耦（Dynamical Decoupling）技术实现的。

　　虽然是最后一个环节，但是也是相当重要，周宗权告诉 DeepTech：“在晶体中有很多镱原子，其核自旋在不停翻转，它们就构成了晶体内部的扰动磁场，会使得这个铕离子的核自旋退相干。所以我们基于前人的成果，在这里加入了一个周期性的翻转信号，让这个扰动磁场的效果在整体积分层面上来看消失。”

　　简单来说，就是在外部加入了翻转信号来减少背景噪声对于信号的影响，从而延长光量子存储的寿命。

　　最后，研究小组将光信号读出，实验证实在经历了 1 个小时存储后，光的位相存储保真度高达 96.4 ± 2.5%，这说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。

　　周宗权表示，论文发布后，国际学术界还提出了一些意外的新应用场景，比如在甚长基线干涉仪的天文望远镜中，可以利用量子 U 盘运输光场来扩大干涉仪的尺寸，从而大幅地提高光学望远镜的分辨率。

　　（来源：受访者）

　　即将研发量子 U 盘原型机

　　对于可能的应用，他说：“沿着远程量子通信这条路走下去，那么就只有两个方向，量子中继和量子 U 盘。”

　　具体而言，如果在量子中继卫星上部署光量子存储技术，一小时的存储时间足以让一个卫星从西半球覆盖到东半球，形成全球范围的覆盖。

　　量子 U 盘则是量子技术中出现的专属存储方式，拥有着基于量子力学原理的安全性，就像是一个有高级密钥的 U 盘。

　　（来源：网络）

　　谈及未来发展，周宗权告诉 DeepTech：“对于卫星而言，一小时的存储时间是足够长的。但是，地面上的话，高铁一小时也只能跑 200~300 公里，这还远远不够，如何拓展光存储时间和制作量子 U 盘原型机也是接下来我们专注研究的方向。”

　　相比普通 U 盘，量子 U 盘不用担心数据被人窃取，更不用担心丢失，即便不小心丢了也只是丢了一个 U 盘外壳而已，里面的数据不会被任何人窃取。

　　下一步，他计划先在实验室研发出量子 U 盘原型机，未来期望能真正走向实用。