超國際紀錄60倍！中科大團隊將光存儲時間提升至1小時，真正實現“把光留住”| 專訪
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“因為光纖傳輸有指數級的衰減，遠距離傳輸單光子基本不可能。而量子 U 盤能解決遠程傳遞單光子的難題，” 說到最近的成果，中國科學技術大學副教授周宗權告訴 DeepTech。
4 月 22 日，郭光燦院士團隊的李傳鋒、周宗權等在光量子存儲領域取得重要突破，其將相干光存儲時間提升至 1 小時，創(chuàng)造了新的世界紀錄。
這意味著向基于可搬運量子存儲的遠距離量子通信技術邁出了重要一步。4 月 22 日，相關論文以“One-hour coherent optical storage in an atomic frequency comb memory”為題發(fā)表在《自然?通訊》上。
多年來，學界始終難以建立長壽命的相干光儲存系統
無論是對 “以太” 的著迷還是 “波粒二象性” 的爭論，人類從未停止過對光的探究，也在想著如何改造、利用甚至征服光。
隨著光纖的廣泛使用，光已經成為現代信息傳輸的重要載體，在時下熱門的 “量子通信” 和 “量子糾纏” 技術中，光因其優(yōu)良性質被很多研究小組選為量子系統的信息載體，光纖也成為其中長距離量子通信技術的重要通道。
然而，長距離傳輸的光信號，都將逃不開一個令人頭疼的問題 —— 長距離傳輸中的信號衰減和失真。量子中繼技術是一個解決辦法，即在長距離傳輸的中間設立幾個基于量子存儲器的中繼站，用來克服損耗建立起遠程的量子糾纏。但是，這樣的做法也因中繼系統太過復雜目前仍未取得實際應用。
如果能夠和電子計算機一樣，建立起長期穩(wěn)定可靠的光量子儲存系統，一切問題就迎刃而解了。如此一來，我們就能通過傳遞光量子存儲的實體來傳遞量子信息，又或者建立配置有光量子存儲系統的衛(wèi)星來實現全球范圍的量子通信。
光量子存儲看上去很簡單，就是將光存儲起來，然后再發(fā)出去就好了，那我們用一塊太陽能電池和 LED 就能實現了么？比如說《國產凌凌漆》中的太陽能手電筒。
其實不然，太陽能電池存儲的只是光的能量，并不能加載量子信息。而可以加載量子信息的是光的位相，如果位相發(fā)生變化，信息就會失真，存儲也會失敗。相干光存儲，指的是可以存儲光位相的存儲器，當入射光場弱至單個光子水平時，它就是光量子存儲器。
只有讓這一存儲的時長達到秒級以上，才能逐漸使得這樣的技術投入應用，這跟把電能存儲在電容器、或電池中是一樣的。
科學家們想了很多辦法，最直接的就是將光變慢，然后將其禁錮起來。1999 年，哈佛大學團隊使用外加磁場的冷原子氣體，把光速降到 17 米每秒，相關論文登上 Nature 封面，封面圖內容是一輛自行車在和光賽跑。
接著，在 2001 年的實驗中，他們將光信號存儲起來起來，束縛在一定空間內。不過，該實驗方案的光存儲時間只在幾千分之一秒量級，與長期存儲還相去甚遠。
時間來到 2013 年，德國達姆施塔特大學團隊采用基于摻鐠硅酸釔晶體（Pr3+:Y2SiO5）系統，利用其電磁誘導透明效應，建立了光 - 自旋激發(fā)、并將光存儲在其中，最終停留了 1 分鐘，這創(chuàng)下了當時該領域的世界紀錄。
簡單來說，德國團隊建立了一個光學的 “冰箱”，這個冰箱就是摻鐠硅酸釔晶體（Pr3+:Y2SiO5）。
整個過程簡單來說就是三步走，第一步把 “冰箱門” 打開，第二步把光放進去，第三步把 “冰箱門” 關上。其中的磁誘導透明效應，是控制 “冰箱門” 的關鍵，有此效應的介質在特定條件下，不會吸收某特定頻率的光。
實驗中，該團隊把一束控制激光射向晶體，觸發(fā)其電磁誘導透明效應，使晶體不會吸收某些頻率的光，也就是會變得透明。
隨后，他們用特定頻率的第二束光承載信息，照射透明的晶體，接著關閉控制激光束，讓晶體變回不透明狀。這就將光存儲在晶體之中，其中光信號的能量被晶體中的其他原子吸收，而其中信息也轉化成了原子自旋激發(fā)。
到了讀取階段，再重新開啟控制激光束，打開導出光路，將原子自旋激發(fā)重新釋放給光子，如此就能導出光信號。研究人員重復了多次實驗，發(fā)現這些原子自旋激發(fā)可以實現光的相干存儲的時間為一分鐘，一旦超過這個時間，重新讀取的信息就會失真。
這給后人留下了啟示，即可以將光導入到一種特殊材料中，并用某些控制手段讓其全部存留在其中，從而被材料吸收。
如果用相應手段導出的光，在歷經長時間后仍然保持相干性，光量子儲存技術就成型了，只是這種新材料和相應的控制技術并不好找。
輪到中科大團隊出場！
據了解，中科大李傳鋒、周宗權課題組，一直致力于基于稀土離子摻雜晶體的固態(tài)量子存儲實驗研究，為此他們瞄準了摻銪硅酸釔晶體（Eu3+:Y2SiO5）。
周宗權告訴 DeepTech：“本次光儲存方案的關鍵之一就是材料的選擇，摻鐠硅酸釔晶體的極限只能做到 1 分鐘，摻銪硅酸釔晶體其實是能夠做到一個月的?！?/strong>
而選擇摻銪硅酸釔晶體的原因之一，也是因為關注到了澳大利亞國立大學團隊在 2015 年做出的成果，澳洲團隊在一階塞曼效應為零（ZEFOZ）磁場下，觀察到摻銪硅酸釔晶體的核自旋相干壽命可以達到 6 小時。但是，他們并未對該材料的能級結構，做出正確和完整的分析、也沒有實現光存儲。
同樣在 2015 年，周宗權所在團隊開始自研一臺光學拉曼外差探測核磁共振譜儀，基于摻銪硅酸釔晶體的核磁共振數據，他們精確刻畫出摻銪硅酸釔晶體光學躍遷的完整哈密頓量，并于 2018 年在理論上預測了 ZEFOZ 磁場下的能級結構，接著又首次實驗測定了、摻銪硅酸釔晶體在 ZEFOZ 磁場下的完整能級結構。
有了能級結構，就有了攻克光量子存儲這一 “堡壘” 的地圖。能級之間的能量變化正好能夠有指向性地對應一些特定頻率的光，知曉能級結構則是控制光信息的導入和導出的第一步。
在此基礎上，本次團隊結合了原子頻率梳（AFC）量子存儲方案和 ZEFOZ 技術，攻克了光信號的長壽命存儲難題。其中原子頻率梳技術，可以認為是一項極其精確的操控原子的技術，可用于捕捉光信號。
周宗權表示：“原子頻率梳技術是目前唯一一種能夠在稀土離子摻雜晶體中成功實現長壽命光量子存儲的方案。”
具體而言，實驗中的光信號（下圖中 Probe）首先被 AFC（下圖中 | 3>g 態(tài)）吸收成為銪離子系綜的光學激發(fā)（下圖中 | 3>e 態(tài)），接著被控制信號（下圖中 Control）轉移為自旋激發(fā)（下圖中 | 4>g 態(tài)）。
經歷一系列的自旋保護脈沖操作后，最終可讀取出光信號，總存儲時間長達 1 小時。值得一提的是，其中用作保護和延長存儲壽命的是基于射頻（RF）信號的動態(tài)解耦（Dynamical Decoupling）技術實現的。
雖然是最后一個環(huán)節(jié)，但是也是相當重要，周宗權告訴 DeepTech：“在晶體中有很多鐿原子，其核自旋在不停翻轉，它們就構成了晶體內部的擾動磁場，會使得這個銪離子的核自旋退相干。所以我們基于前人的成果，在這里加入了一個周期性的翻轉信號，讓這個擾動磁場的效果在整體積分層面上來看消失?！?/span>
簡單來說，就是在外部加入了翻轉信號來減少背景噪聲對于信號的影響，從而延長光量子存儲的壽命。
最后，研究小組將光信號讀出，實驗證實在經歷了 1 個小時存儲后，光的位相存儲保真度高達 96.4 ± 2.5%，這說明該裝置具有極強的相干光存儲能力以及用于量子態(tài)存儲的潛力。
周宗權表示，論文發(fā)布后，國際學術界還提出了一些意外的新應用場景，比如在甚長基線干涉儀的天文望遠鏡中，可以利用量子 U 盤運輸光場來擴大干涉儀的尺寸，從而大幅地提高光學望遠鏡的分辨率
即將研發(fā)量子 U 盤原型機
對于可能的應用，他說：“沿著遠程量子通信這條路走下去，那么就只有兩個方向，量子中繼和量子 U 盤?！?nbsp;
具體而言，如果在量子中繼衛(wèi)星上部署光量子存儲技術，一小時的存儲時間足以讓一個衛(wèi)星從西半球覆蓋到東半球，形成全球范圍的覆蓋。
量子 U 盤則是量子技術中出現的專屬存儲方式，擁有著基于量子力學原理的安全性，就像是一個有高級密鑰的 U 盤
談及未來發(fā)展，周宗權告訴 DeepTech：“對于衛(wèi)星而言，一小時的存儲時間是足夠長的。但是，地面上的話，高鐵一小時也只能跑 200~300 公里，這還遠遠不夠，如何拓展光存儲時間和制作量子 U 盤原型機也是接下來我們專注研究的方向。”
相比普通 U 盤，量子 U 盤不用擔心數據被人竊取，更不用擔心丟失，即便不小心丟了也只是丟了一個 U 盤外殼而已，里面的數據不會被任何人竊取。
下一步，他計劃先在實驗室研發(fā)出量子 U 盤原型機，未來期望能真正走向實用。
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參考：
Hau, L., Harris, S., Dutton, Z. et al. Light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomic gas. Nature 397, 594–598 (1999). https://doi.org/10.1038/17561
Heinze G , Hubrich C , Halfmann T . Stopped Light and Image Storage by Electromagnetically Induced Transparency up to the Regime of One Minute [J]. Physical Review Letters, 2013, 111 (3):033601.
Chanelière, T., Matsukevich, D., Jenkins, S. et al. Storage and retrieval of single photons transmitted between remote quantum memories. Nature 438, 833–836 (2005). https://doi.org/10.1038/nature04315
Ma, Y., Ma, YZ., Zhou, ZQ. et al. One-hour coherent optical storage in an atomic frequency comb memory. Nat Commun 12, 2381 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-22706-y
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