高性能量子存储研究的新进展

  量子存储是量子信息处理的核心技术。自量子信息概念提出伊始，就一直是该领域关注的研究焦点之一。目前国际上已有多个研究小组在不同系统中取得了重要的进展，但是同时兼顾存储效率、信息带宽以及量子保真度的高性能量子存储还存在技术瓶颈。

  高效率、大带宽的量子存储器是实现量子通信和量子计算不可或缺的重要部件。而实现操作时间仅为纳秒量级(带宽达到GHz)的高效量子存储技术是高速量子信息处理技术走向应用亟需攻克的技术难点之一。在目前基于原子系统的众多量子存储方案中，只有远失谐量子存储方案的带宽能够达到GHz，其带宽优势明显超越电磁诱导透明、光子回波等共振量子存储方案。然而由于光与原子的远离共振相互作用带来诸多技术限制，存储效率一直未能突破30%。

  上海交通大学张卫平教授和华东师范大学陈丽清教授联合研究团队，利用碱金属铷原子中的拉曼效应与绝热光学转换技术相结合，在高性能量子存储研究中取得了突破性实验进展，实现了效率高达82%的宽带光量子存储，获得98%的单光子水平量子保真度。这一成果突破了现有量子存储实验的技术瓶颈，为高效、宽带、保真的高性能量子信息存储提供了新的技术手段。

图1 远失谐光量子存储的原理示意图

  为了解决宽带量子存储的效率问题，研究团队通过理论与实验，细致分析了在光与原子量子耦合过程中，泵浦光场、控制光场与原子自旋波激发的关联机制，从而掌握了最大优化量子转换的实际条件与方法。通过优化，实时操控光和原子的分束比，有效掌控远失谐光量子信息向原子存储器转换的效率。理论上，针对任意波形待存储的光量子信息模拟给出最优的控制光场波形，实验上逐步研究不同控制光时间波形对存储效率带来的差异性，由此确证了优化控制光场波形与高效存储的直接关联性，最终实现了6-20 ns多种脉宽的光信号存储，且量子效率均达82.0%以上。原子系综存储器的存储时间受原子相干时间限制，通常为微秒量级。在存储时间内能够实现连续近百个纳秒量级宽度的光量子存储。此外，团队对宽带存储信号的量子特性也进行了量子表征研究。利用量子态层析技术(quantum tomography)，通过对输入输出信号光场的量子态进行层析扫描，结果表明在高效量子存储条件下，存储系统也具备低噪声特性，噪声仅为0.02个光子/每存储过程。这也保证了在单光子水平的信号光场强度下，系统的量子保真度能够达到98%。

图2(a)输入输出信号光场的正交分量扫描结果;(b)密度矩阵。

  此项工作有望进一步推动宽带量子存储技术的研究和发展，为量子技术在量子通信、量子计算和量子测量等领域的实用化开辟新的道路。该研究成果以“High-performance Raman quantum memory with optimal control in roomtemperature atoms”为题，于2019年1月11日在线发表于NatureCommunications (10: 148, 2019)上。该成果得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划，以及上海市量子信息技术重大专项等的支持。

  论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-08118-5