量子物理学的里程碑：把光存进“手提箱”

原创 长光所Light中心 中国光学 收录于话题#量子光学4个

撰稿 | Pavia（清华大学 博士生）

信息的存储和传输是任何计算系统的基本组成部分，量子计算系统也不例外，光量子信息的受控操纵、存储和读取，对于量子通信和计算的发展至关重要。

如果我们要从量子通信和计算的速度和安全性中获益，那么我们就需要弄清楚如何将量子数据转移。

现有的方法是：使用光来存储数据作为粒子状态图，利用光学量子存储器存储和传输光。然而，对于量子通信，光不是很容易被“捕获”的，用光来传输数据是不受控制的，通常光会丢失。

德国美因茨大学的物理学家Patrick Windpassinger教授解决了这一难题，他们采用电磁诱导透明（EIT）技术技术，成功地演示了利用冷87Rb原子，实现了在1.2mm距离（大于存储介质尺寸的距离）上存储光的主动受控传输，用光学传送带将包含暗态极化子（DSP）的整个集合传送几毫米，最后将光脉冲重新读取出来。他们已经证明，受控的运输过程及其动力学对存储的光的性质影响很小。研究人员使用冷87Rb原子作为光的存储介质，以实现高水平的存储效率和长寿命。这一成果将为未来量子计算机和量子通信奠定基础。

该成果以”Controlled Transport of Stored Light”题，发表在Physical Review Letters。

Patrick Windpassinger说：“我们把光放在手提箱里储存，只是我们的箱子是由一团冷原子云构成的。我们把这个手提箱移了一小段距离，然后又把光拿出来。这不仅对物理学非常有意思，对量子通信也很有趣，因为光不是很容易被‘捕获’的，如果你想以可控的方式将其传输到其他地方，它通常会丢失。”

图源：Veer

这项工作利用了电磁感应透明（EIT）技术，在这种技术中，原子可以作为存储设备来捕获和映射光脉冲。入射光脉冲被捕获并相干映射，以产生存储介质的集体激发，形成强耦合的光-物质准粒子，即暗态极化子（DSPs）。由于这一过程是可逆的，使用控制光束可以打开和关闭存储介质的透明度，从而从介质中存储和读取光。

图1 铷-87原子低温真空预冷实验

图源：Windpassinger group

搭建如图2所示的实验系统，通过激光照射在磁光阱（MOT）中的冷87Rb原子，并通过两束反向传播的810nm圆偏振光，把它们转移到一个红色失谐的光学晶格中。强耦合通常需要光束的紧密聚焦，但有限的瑞利范围会导致耦合距离短，所以采用在准一维波导中（或附近）捕获纵向延伸的原子样品来避免，如空芯光子晶体光纤（HC-PCF）。沿着晶格轴宽度为1.2mm的俘获原子系综，可以通过相互去谐晶格束之间的频率而传输到HC-PCF中。探测光束（Ωp）和控制光束（Ωc）在分色镜处与晶格光束重叠，所有光束都仔细地耦合到HC-PCF的基模上。

图2 实验系统搭建测试

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

实验结果得到最大存储效率为11%（存储时间T=5 μs时），与其他基于光纤的系统相当；存储寿命为3.1ms，比其他基于HC-PCF的系统报告的寿命大3个数量级。由于观察到的存储寿命大于我们通常需要将原子样品运送到比样品尺寸本身更大的距离的时间，它们足以证明传输存储光的概念。

除了高效率、长寿命的存储之外，对于量子通信网络和分布式量子计算而言，量子信息在空间分离的位置之间的传输是至关重要的优势。

该团队的下一步目标是努力提高其系统的存储能力，并提高其可运行的距离。这一成果可以扩展到“真正的”量子记忆领域，将提出的概念扩展到更长的传输距离，增加存储部分的数量，这将允许开发新的量子设备，例如具有独立读写部分的光跑道存储器，这在未来是可能的。

文章信息

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

论文地址

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

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