中国科大提出并实现“无噪声光子回波”量子存储方案

7 月 21 日消息，来自中国科大的消息显示，中国科大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。

该团队李传锋、周宗权研究组提出并通过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。

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。其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，例如核磁共振成像（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。

然而强电磁波脉冲作用在原子系综上，会给原子上能级带来残留布居数，导致自发辐射噪声。这从根本上阻止了光子回波应用到量子领域。据了解，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。

在光子回波的研究上，李传锋、周宗权研究组基于四能级的原子系统提出了 NLPE 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（量子优盘的工作介质）中实现了 NLPE 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%。

同时，新的 NLPE 方案在掺铕硅酸钇晶体中的存储信噪比相比 AFC（Atomic frequency comb，原子频率梳，瑞士日内瓦大学团队提出）提高了 4 倍。NLPE 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。

▲左图：NLPE 方案示意图，信号光子被原子吸收，经过两对控制脉冲的操作后，读取出回波；右图：NLPE 的时序图（上），以及实测的单光子回波（下）

该成果 7 月 19 日发表在国际知名期刊《自然・通讯》上。该工作从方案提出、理论分析到实验实现均由该团队完成，该方案被命名为“Noiseless photon echo”（无噪声光子回波，简称 NLPE）并已申请发明专利，是我国具有自主知识产权的原创性量子存储方案。审稿人评价称：这些结果都是原创的，包括理论方案以及实验实现，我认为它非常有趣；这个工作开发出新型存储方案，是通往高性能量子存储器的一项重要进展；相比原子频率梳方案，NLPE 方案显然更容易实现，并且它对稀土掺杂晶体有限的光吸收深度实现了更高效率的利用。

论文共同第一作者为中科院量子信息重点实验室博士研究生马有志、靳明以及中科大本科生陈铎仑。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、安徽省以及中国科学院的资助。周宗权得到中科院青年创新促进会的资助。

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