突破性能瓶颈，上海交通大学团队实现“近完美”宽带量子存储

上海交通大学物理与天文学院讲席教授，李政道研究所兼职研究员张卫平团队，在量子信息存储领域取得重大突破，成功实现了一种高效率高保真、低噪声的宽带量子存储新技术。该团队揭示了量子存储中光-原子时空变换的本质，发展了智能控制的自旋波压缩技术，突破了现有量子存储中高效率与低噪声无法兼容的性能瓶颈。在60 MHz带宽下，实现了94.6%的存储效率和98.91%的量子保真度，噪声低至0.026光子/脉冲。相关研究成果近日以为题发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters），并被美国物理学会（APS）网站选为。

▲图1 APS Physics 网站上 Synopsis 专题报道

量子存储器是实现量子通信网络、量子计算与量子中继的核心器件，其性能直接决定了量子信息处理的效率与可靠性。传统量子存储方案在提升存储效率的同时，往往会放大系统中的四波混频（FWM）噪声，导致量子态失真，严重制约了其在高带宽、单光子水平下的实用化进程。如何在保持高效率的同时有效抑制噪声，成为量子信息领域长期未解的关键难题。

针对这一挑战，该研究团队从光与原子相互作用的基本机制出发，首次揭示了光脉冲时域波形与原子自旋波空间分布之间的汉克尔时空变换映射关系，如图1所示。基于此，团队提出并实验验证了一种智能光控自旋波压缩策略，通过优化控制光脉冲的时域形状，使激发出的自旋波在空间上高度局域化，从而在不增加噪声的前提下显著提升存储效率与保真度。

▲图2. 拉曼量子存储器中的汉克尔时空变换映射关系。（a）写入过程中生成的自旋波空间分布是输入光场的汉克尔谱。（b）读出过程中输出光场的时间波形是自旋波的汉克尔谱。

实验中，研究团队采用差分进化算法，对控制光脉冲进行智能优化，在热原子铷（87Rb）气体中实现了对17纳秒光脉冲的高效存储与读取。结果显示，该方案在单光子输入条件下，实现了94.6%±1%的存储效率与98.91%±0.1%的量子保真度，噪声水平低至0.026±0.012光子/脉冲，信噪比高达38.8，噪声-效率比仅为0.028，是高带宽存储体系首次效率突破90%的可实用瓶颈。

▲图3. 智能自旋波压缩策略实现近完美量子存储实验装置及结果

该成果不仅首次在宽带条件下实现了“近完美”的量子存储性能，也为构建高速量子通信网络、量子中继器及连续变量量子信息系统提供了关键技术支撑。该技术可显著提升量子密钥分发（QKD）系统的传输速率与距离，未来在500公里以上量子通信链路中具有重要应用潜力。

该论文第一作者是上海交通大学郭进先副研究员，共同通信作者为郭进先，华东师范大学陈丽清教授，上海交通大学张卫平教授。该项工作获得了合肥国家实验室、上海市量子科学中心、国家自然科学基金委、量子科技创新2030计划、上海市科委及教委、中国博士后基金会等项目的资助。