原創(chuàng) 長光所Light中心 中國光學(xué) 收錄于話題#量子光學(xué)4個(gè)

撰稿 | Pavia（清華大學(xué) 博士生）

信息的存儲(chǔ)和傳輸是任何計(jì)算系統(tǒng)的基本組成部分，量子計(jì)算系統(tǒng)也不例外，光量子信息的受控操縱、存儲(chǔ)和讀取，對(duì)于量子通信和計(jì)算的發(fā)展至關(guān)重要。

如果我們要從量子通信和計(jì)算的速度和安全性中獲益，那么我們就需要弄清楚如何將量子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。

現(xiàn)有的方法是：使用光來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)作為粒子狀態(tài)圖，利用光學(xué)量子存儲(chǔ)器存儲(chǔ)和傳輸光。然而，對(duì)于量子通信，光不是很容易被“捕獲”的，用光來傳輸數(shù)據(jù)是不受控制的，通常光會(huì)丟失。

德國美因茨大學(xué)的物理學(xué)家Patrick Windpassinger教授解決了這一難題，他們采用電磁誘導(dǎo)透明（EIT）技術(shù)技術(shù)，成功地演示了利用冷87Rb原子，實(shí)現(xiàn)了在1.2mm距離（大于存儲(chǔ)介質(zhì)尺寸的距離）上存儲(chǔ)光的主動(dòng)受控傳輸，用光學(xué)傳送帶將包含暗態(tài)極化子（DSP）的整個(gè)集合傳送幾毫米，最后將光脈沖重新讀取出來。他們已經(jīng)證明，受控的運(yùn)輸過程及其動(dòng)力學(xué)對(duì)存儲(chǔ)的光的性質(zhì)影響很小。研究人員使用冷87Rb原子作為光的存儲(chǔ)介質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)高水平的存儲(chǔ)效率和長壽命。這一成果將為未來量子計(jì)算機(jī)和量子通信奠定基礎(chǔ)。

該成果以”Controlled Transport of Stored Light”題，發(fā)表在Physical Review Letters。

Patrick Windpassinger說：“我們把光放在手提箱里儲(chǔ)存，只是我們的箱子是由一團(tuán)冷原子云構(gòu)成的。我們把這個(gè)手提箱移了一小段距離，然后又把光拿出來。這不僅對(duì)物理學(xué)非常有意思，對(duì)量子通信也很有趣，因?yàn)楣獠皇呛苋菀妆弧东@’的，如果你想以可控的方式將其傳輸?shù)狡渌胤?，它通常?huì)丟失?！?/p>

圖源：Veer

這項(xiàng)工作利用了電磁感應(yīng)透明（EIT）技術(shù)，在這種技術(shù)中，原子可以作為存儲(chǔ)設(shè)備來捕獲和映射光脈沖。入射光脈沖被捕獲并相干映射，以產(chǎn)生存儲(chǔ)介質(zhì)的集體激發(fā)，形成強(qiáng)耦合的光-物質(zhì)準(zhǔn)粒子，即暗態(tài)極化子（DSPs）。由于這一過程是可逆的，使用控制光束可以打開和關(guān)閉存儲(chǔ)介質(zhì)的透明度，從而從介質(zhì)中存儲(chǔ)和讀取光。

圖1 銣-87原子低溫真空預(yù)冷實(shí)驗(yàn)

圖源：Windpassinger group

搭建如圖2所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過激光照射在磁光阱（MOT）中的冷87Rb原子，并通過兩束反向傳播的810nm圓偏振光，把它們轉(zhuǎn)移到一個(gè)紅色失諧的光學(xué)晶格中。強(qiáng)耦合通常需要光束的緊密聚焦，但有限的瑞利范圍會(huì)導(dǎo)致耦合距離短，所以采用在準(zhǔn)一維波導(dǎo)中（或附近）捕獲縱向延伸的原子樣品來避免，如空芯光子晶體光纖（HC-PCF）。沿著晶格軸寬度為1.2mm的俘獲原子系綜，可以通過相互去諧晶格束之間的頻率而傳輸?shù)紿C-PCF中。探測(cè)光束（Ωp）和控制光束（Ωc）在分色鏡處與晶格光束重疊，所有光束都仔細(xì)地耦合到HC-PCF的基模上。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建測(cè)試

圖源：PHYSICAL REVIEW LETTERS 125, 150501 (2020) Fig.1

實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到最大存儲(chǔ)效率為11%（存儲(chǔ)時(shí)間T=5 μs時(shí)），與其他基于光纖的系統(tǒng)相當(dāng)；存儲(chǔ)壽命為3.1ms，比其他基于HC-PCF的系統(tǒng)報(bào)告的壽命大3個(gè)數(shù)量級(jí)。由于觀察到的存儲(chǔ)壽命大于我們通常需要將原子樣品運(yùn)送到比樣品尺寸本身更大的距離的時(shí)間，它們足以證明傳輸存儲(chǔ)光的概念。

除了高效率、長壽命的存儲(chǔ)之外，對(duì)于量子通信網(wǎng)絡(luò)和分布式量子計(jì)算而言，量子信息在空間分離的位置之間的傳輸是至關(guān)重要的優(yōu)勢(shì)。

該團(tuán)隊(duì)的下一步目標(biāo)是努力提高其系統(tǒng)的存儲(chǔ)能力，并提高其可運(yùn)行的距離。這一成果可以擴(kuò)展到“真正的”量子記憶領(lǐng)域，將提出的概念擴(kuò)展到更長的傳輸距離，增加存儲(chǔ)部分的數(shù)量，這將允許開發(fā)新的量子設(shè)備，例如具有獨(dú)立讀寫部分的光跑道存儲(chǔ)器，這在未來是可能的。

文章信息

Phys. Rev. Lett. 125, 150501 – Published 8 October 2020

論文地址

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.150501

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原標(biāo)題：《量子物理學(xué)的里程碑：把光存進(jìn)“手提箱”》

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