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| 稀土離子實現(xiàn)多模式量子中繼及1小時光存儲 |
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量子不可克隆定律賦予了量子通信基于物理學(xué)原理的安全性，而這一定律也決定了光子傳輸損耗不能使用傳統(tǒng)的放大器來克服，這使得遠(yuǎn)程量子通信成為當(dāng)今量子信息科學(xué)的核心難題之一。
量子中繼和可移動量子存儲是實現(xiàn)遠(yuǎn)程量子通信的兩種可行方案，其共性需求是高性能的量子存儲器。在量子中繼方面，國際已有實驗研究都聚焦于發(fā)射型存儲器的架構(gòu)，無法同時滿足確定性發(fā)光和多模式復(fù)用這兩個關(guān)鍵技術(shù)需求。可移動量子存儲方面，國際上光存儲的時間最長僅1分鐘，無法滿足可移動量子存儲小時量級存儲時間的需求。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊李傳鋒、周宗權(quán)研究組基于稀土離子摻雜晶體研制出高性能的固態(tài)量子存儲器，并在上述兩條技術(shù)路線上取得了重要進展，實現(xiàn)了一種基于吸收型存儲器的多模式量子中繼，并成功將光存儲時間提升至1小時。相關(guān)成果于2021年4月22日和6月2日分別發(fā)表于《自然—通訊》和《自然》。
研究組基于參量下轉(zhuǎn)換技術(shù)制備了兩套糾纏光源，并基于獨創(chuàng)的“三明治”結(jié)構(gòu)制備了兩套固態(tài)量子存儲器。每對糾纏光子中的一個光子被“三明治”型量子存儲器所存儲，而每對糾纏光子中的另一個光子被同時傳輸至中間站點進行貝爾態(tài)檢驗。一次成功的貝爾態(tài)檢驗會完成一次成功的糾纏交換操作，使得兩個空間分離3.5米的固態(tài)量子存儲器之間建立起量子糾纏，盡管這兩個存儲器沒有發(fā)生任何直接的相互作用。量子中繼基本鏈路的演示實驗中實現(xiàn)了4個時間模式的復(fù)用，使得糾纏分發(fā)的速率提升了4倍，實測的糾纏保真度達到了80.4%。該工作證實了基于吸收型量子存儲構(gòu)建量子中繼的可行性，并首次展現(xiàn)了多模式復(fù)用在量子中繼中的加速作用。
研究組結(jié)合理論預(yù)言首次實驗測定摻銪硅酸釔晶體在ZEFOZ磁場下的完整能級結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，研究組結(jié)合原子頻率梳（AFC）量子存儲方案以及ZEFOZ技術(shù)，成功實現(xiàn)了光信號的長壽命存儲。實驗中光信號首先被AFC吸收成為銪離子系統(tǒng)的光學(xué)激發(fā)，接著被轉(zhuǎn)移為自旋激發(fā)，經(jīng)歷一系列自旋保護脈沖操作后，最終被讀取為光信號，總存儲時間長達1小時。■
《科學(xué)新聞》 (科學(xué)新聞2022年2月刊 封面)