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我國首現(xiàn)毫秒級可集成量子存儲器
我國首現(xiàn)毫秒級可集成量子存儲器
在量子科技蓬勃發(fā)展的時代，每一項新的突破都可能為未來的信息技術(shù)帶來變革性的變化。近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊李傳鋒、周宗權(quán)研究組傳來振奮人心的消息，他們基于團(tuán)隊原創(chuàng)的無噪聲光子回波（NLPE）方案，成功將可集成量子存儲器的存儲時間從 10 微秒級提升至毫秒級，并且在這一過程中，還成功突破了傳統(tǒng)光纖延遲線的效率限制，這一成果在量子存儲領(lǐng)域乃至整個量子通信與量子計算領(lǐng)域都具有里程碑式的意義。
光量子存儲器作為構(gòu)建大尺度量子網(wǎng)絡(luò)的重點器件，其重要性不言而喻。在量子網(wǎng)絡(luò)中，信息以光量子比特的形式進(jìn)行傳輸，但由于信道存在損耗，信號在長距離傳輸過程中會逐漸減弱甚至消失。光量子存儲器就如同一個 “中繼站”，能夠暫時存儲光量子比特，克服信道損耗問題，使得量子信息可以在更大尺度的網(wǎng)絡(luò)中穩(wěn)定傳輸。而要實現(xiàn)其規(guī)模化應(yīng)用，器件的集成化是關(guān)鍵。集成化不僅能夠減小器件尺寸，降低功耗，還能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，為未來大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供堅實基礎(chǔ)。
自 2011 年以來，國際科研團(tuán)隊積極探索，利用多種工藝在稀土摻雜晶體中制備可集成量子存儲器。然而，這條探索之路布滿荊棘。在集成器件中，噪聲如同頑固的 “敵人”，難以被有效濾除，同時存儲效率也受到諸多因素的限制?，F(xiàn)有的裝置大多只能在原子激發(fā)態(tài)實現(xiàn)存儲，存儲時間只能達(dá)到 10 微秒級，這在量子通信的時間尺度上顯得極為短暫。更為嚴(yán)峻的是，其存儲效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光纖延遲線的傳輸效率，這使得這些可集成量子存儲器在遠(yuǎn)程量子通信中的實際應(yīng)用受到了根本性的制約。
面對這一困境，李傳鋒、周宗權(quán)研究組展現(xiàn)出了出色的科研智慧與創(chuàng)新精神。他們巧妙地利用飛秒激光微加工技術(shù)，在摻銪硅酸釔晶體中制備了圓對稱的凹陷包層光波導(dǎo)。這一創(chuàng)新設(shè)計猶如一把 “利劍”，成功實現(xiàn)了基于偏振自由度的噪聲濾除。同時，結(jié)合團(tuán)隊原創(chuàng)的 NLPE 量子存儲方案，存儲效率得到了大幅提升。通過這一系列關(guān)鍵技術(shù)的突破，他們成功實現(xiàn)了在原子基態(tài)的自旋波可集成量子存儲，為后續(xù)的研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。
近期，該研究組進(jìn)一步深入探索，在晶體上表面集成了共面電波導(dǎo)。通過施加射頻磁場，實現(xiàn)了對光波導(dǎo)內(nèi)銪離子核自旋躍遷的動力學(xué)解耦控制，這一操作如同為量子存儲 “注入了活力”，成功將自旋波量子存儲壽命延長至毫秒級。當(dāng)光量子比特的存儲時間達(dá)到 1.021 毫秒時，其存儲效率達(dá)到了 12.0±0.5%，這一效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了對應(yīng)延時的光纖延遲線的傳輸效率（只 0.01%）。這一成果不僅證明了可集成量子存儲器件在功能上已經(jīng)超越了光纖延遲線，更意味著其在實際應(yīng)用中的巨大潛力已經(jīng)開始顯現(xiàn)。
這項研究成果具有多方面的重要意義。從量子通信的角度來看，可集成量子存儲器存儲時間的大幅提升以及存儲效率超越光纖延遲線，為長程量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供了可靠的技術(shù)支撐。在未來，基于這些高效的可集成量子存儲器，量子通信有望實現(xiàn)更遠(yuǎn)距離、更穩(wěn)定的信息傳輸，為全球量子通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)打開新的局面。從量子計算領(lǐng)域而言，毫秒級可集成量子存儲器能夠更好地與其他量子計算組件相集成，為構(gòu)建大規(guī)模、高性能的量子計算機提供了關(guān)鍵的存儲單元，有助于推動量子計算技術(shù)從理論研究向?qū)嶋H應(yīng)用的快速轉(zhuǎn)化。
此外，該成果還展現(xiàn)了 NLPE 方案在解決長壽命量子存儲信噪比問題上的巨大潛力。這一方案的成功應(yīng)用，為未來量子存儲技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展指明了方向，激勵著更多科研團(tuán)隊在相關(guān)領(lǐng)域深入探索。
總之，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊李傳鋒、周宗權(quán)研究組的這一重大突破，為可集成量子存儲在長程量子網(wǎng)絡(luò)中的實際應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。相信在未來，隨著這一技術(shù)的不斷完善與推廣，將為量子科技的發(fā)展帶來更多驚喜，推動人類社會向量子信息時代大步邁進(jìn)。
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