高性能量子存儲研究的新進展

  量子存儲是量子信息處理的核心技術。自量子信息概念提出伊始，就一直是該領域關注的研究焦點之一。目前國際上已有多個研究小組在不同系統中取得了重要的進展，但是同時兼顧存儲效率、信息帶寬以及量子保真度的高性能量子存儲還存在技術瓶頸。

  高效率、大帶寬的量子存儲器是實現量子通信和量子計算不可或缺的重要部件。而實現操作時間僅為納秒量級(帶寬達到GHz)的高效量子存儲技術是高速量子信息處理技術走向應用亟需攻克的技術難點之一。在目前基于原子系統的眾多量子存儲方案中，只有遠失諧量子存儲方案的帶寬能夠達到GHz，其帶寬優勢明顯超越電磁誘導透明、光子回波等共振量子存儲方案。然而由于光與原子的遠離共振相互作用帶來諸多技術限制，存儲效率一直未能突破30%。

  上海交通大學張衛平教授和華東師范大學陳麗清教授聯合研究團隊，利用堿金屬銣原子中的拉曼效應與絕熱光學轉換技術相結合，在高性能量子存儲研究中取得了突破性實驗進展，實現了效率高達82%的寬帶光量子存儲，獲得98%的單光子水平量子保真度。這一成果突破了現有量子存儲實驗的技術瓶頸，為高效、寬帶、保真的高性能量子信息存儲提供了新的技術手段。

圖1 遠失諧光量子存儲的原理示意圖

  為了解決寬帶量子存儲的效率問題，研究團隊通過理論與實驗，細致分析了在光與原子量子耦合過程中，泵浦光場、控制光場與原子自旋波激發的關聯機制，從而掌握了最大優化量子轉換的實際條件與方法。通過優化，實時操控光和原子的分束比，有效掌控遠失諧光量子信息向原子存儲器轉換的效率。理論上，針對任意波形待存儲的光量子信息模擬給出最優的控制光場波形，實驗上逐步研究不同控制光時間波形對存儲效率帶來的差異性，由此確證了優化控制光場波形與高效存儲的直接關聯性，最終實現了6-20 ns多種脈寬的光信號存儲，且量子效率均達82.0%以上。原子系綜存儲器的存儲時間受原子相干時間限制，通常為微秒量級。在存儲時間內能夠實現連續近百個納秒量級寬度的光量子存儲。此外，團隊對寬帶存儲信號的量子特性也進行了量子表征研究。利用量子態層析技術(quantum tomography)，通過對輸入輸出信號光場的量子態進行層析掃描，結果表明在高效量子存儲條件下，存儲系統也具備低噪聲特性，噪聲僅為0.02個光子/每存儲過程。這也保證了在單光子水平的信號光場強度下，系統的量子保真度能夠達到98%。

圖2(a)輸入輸出信號光場的正交分量掃描結果;(b)密度矩陣。

  此項工作有望進一步推動寬帶量子存儲技術的研究和發展，為量子技術在量子通信、量子計算和量子測量等領域的實用化開辟新的道路。該研究成果以“High-performance Raman quantum memory with optimal control in roomtemperature atoms”為題，于2019年1月11日在線發表于NatureCommunications (10: 148, 2019)上。該成果得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃，以及上海市量子信息技術重大專項等的支持。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-08118-5