我国科学家实现高保真度固态量子存储

近日，中国科学技术大学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。科研团队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。

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·哈恩于1950年在射频波段发现的，历史上称之为自旋回波。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。

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。中国科学技术大学科研团队基于四能级的原子系统提出了新的方案。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中实现了这一方案，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%。

科研团队介绍，该原创性方案具备高效率、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。(总台央视记者 帅俊全)

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