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上海交大金贤敏团队实现混合架构的室温宽带存储量子网络

近日,上海交大金贤敏团队在最新一期美国《科学》杂志子刊Science Advances上以“A Hybrid Quantum Memory Enabled Network at Room Temperature”为题发表最新研究成果,提出并实验演示了一种混合架构的可在室温下运行的宽带存储量子网络,并构建了两个不同类型的量子存储器作为网络中的节点。由这两种量子存储器构成的混合型量子网络,可以按需制造和存储量子态,并且能够在时域上对单个或多个光子进行组合、分离、交换和分割等操作,同时量子性得到很好保持。该项研究提供了量子信息处理领域的新途径,其室温工作条件和丰富的量子态操作能力对于量子通信、量子计算和量子模拟等实际应用具有重要意义。

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量子网络由大规模分布的量子节点和连接各个节点的量子信道组成,用于实现各类量子增强的通信、计算和计量等技术。一直以来,实际可用的量子网络是量子信息科学领域追寻的重要目标之一,然而,两个关键问题仍然亟待解决:一是光量子在传播中的损耗随距离呈指数型增加;二是光量子态的产生具有概率性。这使得量子网络的实际效率很低。

二十多年前,科学家就提出了量子存储器在将量子技术推向实际应用中的重要地位。一方面,量子存储器可以用于量子中继,使得多条点对点通信链路能够相连接,避开了长距离通信的损耗问题,使得远距离量子通信成为可能。另一方面,量子存储器能以时分复用的方式产生同步的多光子,这对于提高量子计算的算力至关重要。然而,长久以来,构建实际有用的量子存储器本身是一个挑战,需要同时满足高带宽、高效率、长寿命、低噪音的指标,更重要的是能够在室温条件下工作。

上海交大集成量子信息技术研究中心金贤敏教授团队一直致力于室温宽带量子存储的研究,特别是把目标聚焦在解决量子存储器内数十亿个原子在室温下严重的噪声和量子品质下降问题,并取得了突破,成功将每个操作的噪声降低到了0.0001个水平,成功将室温宽带光存储推进到量子区域 [Communications Physics 1, 55 (2018), npj Quantum Information 4, 31 (2018)]。在前期研究基础上,近期,研究团队提出了一种混合架构的可在室温下运行的宽带存储量子网络,同时集成了两个不同类型的量子存储器作为网络中的节点:一种是基于远失谐自发拉曼散射的Far Off-Resonance Duan-Lukin-Cirac-Zoller (FORD)量子存储器,另一种是由高速Pockels Cells控制的全光环形Loop量子存储器。由这两种量子存储器构成的混合型量子网络,可以按需制造和存储量子态,并且能够在时域上对单个或多个光子进行组合、分离、交换和分割等操作,同时量子性得到很好保持。

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混合型宽带存储器量子网络原理和实验装置图

研究团队首先提出了基于铯原子能级结构的FORD量子存储方案,该方案可实现内置单光子量子光源,无需外部单光子源。一束远失谐写光脉冲激发源铯原子气体,辐射出一个Stokes光子,同时原子系综中产生集体激发态,这个集体激发态就是被存储的态。经过数年的努力,FORD方案真正成为了可以在室温条件下运行的宽带量子存储器。进一步,研究团队构建了一个宽带全光存储器,利用Pockels Cells控制飞行光子的偏振态,可以将外部注入的光子按需存储和读取,与FORD存储器实现了很好的兼容和互补。将上述两种不同类型的量子存储器相结合,作为不同的量子网络节点,该量子网络可以实现量子态的产生、存储和传输,同时研究人员观察到了在很大范围内其量子特性得到了很好保持。

基于上述两种类型的量子节点,研究人员首次展示了对于一个可预报的光子链的存储和操控,例如对单光子和多光子的组合、交换、分离、分割等操作。可预报的光子链态由FORD量子存储器内部的自发拉曼散射过程产生,继而光子链态被注入环形存储器,经过一段可控的存储时间之后,光子链态中的全部单光子可以以各自独立的方式被取出,从而组合形成不同的光子链态。

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光子链态的产生、存储和操控原理图和测试结果

在量子技术日趋成熟和接近商用化的今天,量子增强的通信、计算和计量等技术相比于经典技术的优势日益凸显。而关键在于解决量子信息处理理论推向实际应用中的瓶颈问题,例如光量子信道不可避免的损耗以及量子态概率性产生的问题。量子存储器一直以来被认为是解决上述问题的关键方案之一,高性能量子存储器更是研究者长期追求的目标。未来,研究团队希望充分发掘基于室温宽带量子存储器的量子网络的可扩展性,通过构建更多节点和提升节点性能的方式,使得量子网络具有更丰富的量子信息处理能力。

研究团队感谢上海市科委重大项目和国家自然科学基金重点项目的雪中送炭,感谢中组部青年千人计划、国家重点研发计划、上海市教委的大力支持。上海交通大学集成量子信息技术研究中心(IQIT)博士生庞晓玲为论文第一作者,金贤敏教授为论文通讯作者,合作者包括英国牛津大学Ian Walmsley教授,Joshua Nunn博士和以色列魏茨曼科学研究所的Eilon Poem博士等。 

论文链接: https://advances.sciencemag.org/content/6/6/eaax1425

庞晓玲
物理与天文学院