中国科大提出并实现原创的“无噪声光子回波”量子存储方案

2021年07月20日

中国科大提出并实现原创的“无噪声光子回波”量子存储方案

我校郭光灿院士团队在量子存储及量子网络研究中取得原创性进展。该团队李传锋、周宗权研究组提出并实验实现无噪声光子回波，实测噪声比前人的结果降低了670倍，首次观察到单光子的光子回波并由此实现了高保真度的固态量子存储。该成果7月19日发表在国际知名期刊《自然·通讯》上。该工作从方案提出、理论分析到实验实现均由该团队完成，该方案被命名为“Noiseless photon echo”（无噪声光子回波，简称NLPE）并已申请发明专利，是我国具有自主知识产权的原创性量子存储方案。

光子回波是原子与一系列电磁波脉冲相互作用时发出的相干辐射。该现象是沃尔夫奖得主欧文·哈恩（Erwin Hahn）于1950年在射频波段发现的，历史上称之为自旋回波（spin echo）。自旋回波和光子回波的物理本质是一致的，即强电磁波脉冲使大量原子的演化位相发生重聚，从而使初始的电磁波激发以回波的形式发射出来。自旋回波就是射频波段的光子回波。

光子回波作为光与物质作用的一种基本物理过程，已在众多学科领域取得广泛应用，代表性的应用有核磁共振成像（射频波段）、电子顺磁共振谱仪（微波段）以及二维电子光谱（光波段）等。这些经典领域的应用表明光子回波是存储和操纵光的有力工具，如果把光子回波应用到量子领域，则有望实现任意波段的光量子存储器，从而建立超导量子计算机的微波光子学界面，以及建立基于光波光子的大尺度量子网络。

然而强电磁波脉冲作用在原子系综上，会给原子上能级带来残留布居数，导致自发辐射噪声。已有的光子回波方案都存在一个本质缺陷，其光子回波发射的上能级与残留布居的上能级是同一能级，所以光子回波的发射信号必然被自发辐射噪声所污染。这从根本上阻止了光子回波应用到量子领域。此前最低噪声的光子回波实验是法国国家科学中心团队于2014年完成的，其背景噪声超过1个光子，无法满足量子信息应用的需求。

李传锋、周宗权研究组基于四能级的原子系统提出了NLPE方案。该方案创造性地结合了不同频的控制脉冲以及两次重聚过程，使得发射光子回波的上能级与残留布居的上能级是不同能级，所以可通过频谱滤波严格消除自发辐射噪声。研究组还在掺铕硅酸钇晶体（量子优盘的工作介质）中实现了NLPE方案，实测的背景噪声为0.0015光子，比前人光子回波实验的噪声降低了670倍。在单光子信号入射的条件，回波的信噪比达42.5，光量子比特的存储保真度达95.2%。

此前，瑞士日内瓦大学团队提出的原子频率梳（AFC，Atomic frequency comb）是在稀土掺杂晶体中唯一实现了量子比特存储的方案，而新的NLPE方案在掺铕硅酸钇晶体中的存储信噪比相比AFC提高了4倍。NLPE方案具备高效率、高保真度及易于实现的特性，在量子优盘的应用中将具有显著优势，这种超低噪声的光子回波技术还有望在其他学科领域的信号提取等方面激发出新的应用。

左图：NLPE方案示意图，信号光子被原子吸收，经过两对控制脉冲的操作后，读取出回波。右图：NLPE的时序图（上），以及实测的单光子回波（下）。

审稿人高度评价该工作：“The results are original, both the proposal and the implementation and I found the paper very interesting.”（这些结果都是原创的，包括理论方案以及实验实现，我认为它非常有趣）；“I think that this manuscript presents an important progress towards high-performance quantum memories with the development of an alternative solution.”（这个工作开发出新型存储方案，是通往高性能量子存储器的一项重要进展）；“The NLPE protocol is definitely more simple to implement in the lab than AFC, and it will make a better use of the finite absorption depth of the RE crystal.”（相比原子频率梳方案，NLPE方案显然更容易实现，并且它对稀土掺杂晶体有限的光吸收深度实现了更高效率的利用）。

论文共同第一作者为中科院量子信息重点实验室博士研究生马有志、靳明以及中科大本科生陈铎仑。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、安徽省以及中国科学院的资助。周宗权得到中科院青年创新促进会的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-24679-4

（中科院量子信息重点实验室、中科院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）

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