中科大团队成功实现“储光”1小时，刷新世界纪录60倍

发布日期：2021-07-05

光纤中的光子损耗阻碍了量子信息在陆地上的长距离传输分布，由此，量子中继器被提出来解决这个问题。但是由于量子中继器的系统复杂性以及有限的通信距离，可行的解决方案包括可移动量子存储器和配备量子存储器的卫星，其中长寿命的光学量子存储器是实现全球量子通信的关键组件。

图1. Eu³⁺:Y₂SiO₅ 晶体的能级图。

2015年澳大利亚国立大学团队在一阶塞曼效应为零（ZEFOZ）的磁场下，观察到掺铕硅酸钇晶体（Eu³⁺:Y₂SiO₅）的核自旋相干寿命长达6小时。迄今为止，在87Rb原子和Pr³⁺：Y₂SiO₅晶体中实现的长光存储时间约为1分钟。近期，中国科学技术大学的郭光灿院士团队在光量子存储领域取得重要突破。该团队李传锋、周宗权研究组将相干光的存储时间提升1小时，刷新了2013年德国团队光存储1分钟的世界纪录。该成果已发表在国际知名期刊《自然·通讯》上^[1]。

图2：实验装置示意图，包含低温恒温器。

中科大课题组结合理论预言实验测定掺铕硅酸钇晶体在ZEFOZ磁场下的完整能级结构。研究组结合了原子频率梳（AFC）量子存储方案以及ZEFOZ技术，成功实现了光信号的长寿命存储。为了在ZEFOZ领域实现光存储，了解基态和激发态的能级结构是解决问题的先决条件。课题组使用连续波拉曼外差探测（RHD）获得了ZEFOZ中的基态共振信息。实验确定的能级结构如图1a所示。实验装置示意图如图1b所示，样品被放在低温恒温器内（温度1.7K），磁场强度被设定为1.28特斯拉。样品放置于低温倾角台上，低温倾角台的倾角精度达到千分之二度。探测和泵浦光在进入低温恒温器之前通过单模光纤（SMF）和光纤准直器（FC）发出。

图3. 回波强度与存储时间关系图。

实验中光信号首先被AFC吸收成为铕离子系综的光学激发，接着被转移为自旋激发，经历一系列自旋保护脉冲操作后，终被读取为光信号，总存储时间长达1小时（见图3）。通过加载相位编码，实验证实在经历了1个小时存储后，光的相位存储保真度高达96.4 ± 2.5%。结果表明该装置具有极强的相干光存储能力以及用于量子态存储的潜力。

文章中，作者使用了德国attocube公司的attoDRY系列低温恒温器来实现样品在温条件下的光量子存储。该课题组的工作为基于长寿命固态量子存储器的大规模量子通信带来了光明的前景。

图4：低振动无液氦磁体与恒温器—attoDRY系列，超低振动是提供高分辨率与长时间稳定光谱的关键因素。

attoDRY2100+CFM I主要技术特点：

+ 应用范围广泛:  量子光学，PL/EL/ Raman等光谱测量

+ 变温范围：1.8K - 300K

+ 空间分辨率：< 1 mm

+ 无液氦闭环恒温器

+ 工作磁场范围：0...9T (12T, 9T-3T，9T-1T-1T矢量磁体可选)

+ 低温消色差物镜NA=0.82

+ 精细定位范围： 5mm X 5mm X 5mm @ 4K

+ 精细扫描范围：30 mm X 30 mm@4K

+ 可进行电学测量，配备标准chip carrier

+ 可升级到AFM/MFM、PFM、ct-AFM、KPFM、SHPM等功能

参考文献：

[1]. Zongquan ZHOU et al, One-hour coherent optical storage in an atomic frequency comb memory , Nature Communications,12,2381 (2021)