上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院講席教授，李政道研究所兼職研究員張衛(wèi)平團(tuán)隊(duì)，在量子信息存儲領(lǐng)域取得重大突破，成功實(shí)現(xiàn)了一種高效率高保真、低噪聲的寬帶量子存儲新技術(shù)。該團(tuán)隊(duì)揭示了量子存儲中光-原子時(shí)空變換的本質(zhì)，發(fā)展了智能控制的自旋波壓縮技術(shù)，突破了現(xiàn)有量子存儲中高效率與低噪聲無法兼容的性能瓶頸。在60 MHz帶寬下，實(shí)現(xiàn)了94.6%的存儲效率和98.91%的量子保真度，噪聲低至0.026光子/脈沖。相關(guān)研究成果近日以為題發(fā)表于《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters），并被美國物理學(xué)會（APS）網(wǎng)站選為。

▲圖1 APS Physics 網(wǎng)站上 Synopsis 專題報(bào)道

量子存儲器是實(shí)現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡(luò)、量子計(jì)算與量子中繼的核心器件，其性能直接決定了量子信息處理的效率與可靠性。傳統(tǒng)量子存儲方案在提升存儲效率的同時(shí)，往往會放大系統(tǒng)中的四波混頻（FWM）噪聲，導(dǎo)致量子態(tài)失真，嚴(yán)重制約了其在高帶寬、單光子水平下的實(shí)用化進(jìn)程。如何在保持高效率的同時(shí)有效抑制噪聲，成為量子信息領(lǐng)域長期未解的關(guān)鍵難題。

針對這一挑戰(zhàn)，該研究團(tuán)隊(duì)從光與原子相互作用的基本機(jī)制出發(fā)，首次揭示了光脈沖時(shí)域波形與原子自旋波空間分布之間的漢克爾時(shí)空變換映射關(guān)系，如圖1所示?；诖?，團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種智能光控自旋波壓縮策略，通過優(yōu)化控制光脈沖的時(shí)域形狀，使激發(fā)出的自旋波在空間上高度局域化，從而在不增加噪聲的前提下顯著提升存儲效率與保真度。

▲圖2. 拉曼量子存儲器中的漢克爾時(shí)空變換映射關(guān)系。（a）寫入過程中生成的自旋波空間分布是輸入光場的漢克爾譜。（b）讀出過程中輸出光場的時(shí)間波形是自旋波的漢克爾譜。

實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)采用差分進(jìn)化算法，對控制光脈沖進(jìn)行智能優(yōu)化，在熱原子銣（87Rb）氣體中實(shí)現(xiàn)了對17納秒光脈沖的高效存儲與讀取。結(jié)果顯示，該方案在單光子輸入條件下，實(shí)現(xiàn)了94.6%±1%的存儲效率與98.91%±0.1%的量子保真度，噪聲水平低至0.026±0.012光子/脈沖，信噪比高達(dá)38.8，噪聲-效率比僅為0.028，是高帶寬存儲體系首次效率突破90%的可實(shí)用瓶頸。

▲圖3. 智能自旋波壓縮策略實(shí)現(xiàn)近完美量子存儲實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果

該成果不僅首次在寬帶條件下實(shí)現(xiàn)了“近完美”的量子存儲性能，也為構(gòu)建高速量子通信網(wǎng)絡(luò)、量子中繼器及連續(xù)變量量子信息系統(tǒng)提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。該技術(shù)可顯著提升量子密鑰分發(fā)（QKD）系統(tǒng)的傳輸速率與距離，未來在500公里以上量子通信鏈路中具有重要應(yīng)用潛力。

該論文第一作者是上海交通大學(xué)郭進(jìn)先副研究員，共同通信作者為郭進(jìn)先，華東師范大學(xué)陳麗清教授，上海交通大學(xué)張衛(wèi)平教授。該項(xiàng)工作獲得了合肥國家實(shí)驗(yàn)室、上海市量子科學(xué)中心、國家自然科學(xué)基金委、量子科技創(chuàng)新2030計(jì)劃、上海市科委及教委、中國博士后基金會等項(xiàng)目的資助。