上海交大金賢敏團隊實現混合架構的室溫寬帶存儲量子網絡

上海交大金賢敏團隊實現混合架構的室溫寬帶存儲量子網絡

量子網絡由大規模分佈的量子節點和連接各個節點的量子信道組成,用於實現各類量子增強的通信、計算和計量等技術。一直以來,實際可用的量子網絡是量子信息科學領域追尋的重要目標之一,然而,兩個關鍵問題仍然亟待解決:一是光量子在傳播中的損耗隨距離呈指數型增加;二是光量子態的產生具有概率性。這使得量子網絡的實際效率很低。

二十多年前,科學傢就提出瞭量子存儲器在將量子技術推向實際應用中的重要地位。一方面,量子存儲器可以用於量子中繼,使得多條點對點通信鏈路能夠相連接,避開瞭長距離通信的損耗問題,使得遠距離量子通信成為可能。另一方面,量子存儲器能以時分復用的方式產生同步的多光子,這對於提高量子計算的算力至關重要。然而,長久以來,構建實際有用的量子存儲器本身是一個挑戰,需要同時滿足高帶寬、高效率、長壽命、低噪音的指標,更重要的是能夠在室溫條件下工作。

近日,上海交大金賢敏團隊在最新一期美國《科學》雜志子刊Science Advances上以“A Hybrid Quantum Memory Enabled Network at Room Temperature”為題發表最新研究成果,提出並實驗演示瞭一種混合架構的可在室溫下運行的寬帶存儲量子網絡,並構建瞭兩個不同類型的量子存儲器作為網絡中的節點。由這兩種量子存儲器構成的混合型量子網絡,可以按需制造和存儲量子態,並且能夠在時域上對單個或多個光子進行組合、分離、交換和分割等操作,同時量子性得到很好保持。該項研究提供瞭量子信息處理領域的新途徑,其室溫工作條件和豐富的量子態操作能力對於量子通信、量子計算和量子模擬等實際應用具有重要意義。

上海交大金賢敏團隊實現混合架構的室溫寬帶存儲量子網絡

上海交大集成量子信息技術研究中心金賢敏教授團隊一直致力於室溫寬帶量子存儲的研究,特別是把目標聚焦在解決量子存儲器內數十億個原子在室溫下嚴重的噪聲和量子品質下降問題,並取得瞭突破,成功將每個操作的噪聲降低到瞭0.0001個水平,成功將室溫寬帶光存儲推進到量子區域 [Communications Physics 1, 55 (2018), npj Quantum Information 4, 31 (2018)]。在前期研究基礎上,近期,研究團隊提出瞭一種混合架構的可在室溫下運行的寬帶存儲量子網絡,同時集成瞭兩個不同類型的量子存儲器作為網絡中的節點:一種是基於遠失諧自發拉曼散射的Far Off-Resonance Duan-Lukin-Cirac-Zoller (FORD)量子存儲器,另一種是由高速Pockels Cells控制的全光環形Loop量子存儲器。由這兩種量子存儲器構成的混合型量子網絡,可以按需制造和存儲量子態,並且能夠在時域上對單個或多個光子進行組合、分離、交換和分割等操作,同時量子性得到很好保持。

上海交大金賢敏團隊實現混合架構的室溫寬帶存儲量子網絡

混合型寬帶存儲器量子網絡原理和實驗裝置圖

研究團隊首先提出瞭基於銫原子能級結構的FORD量子存儲方案,該方案可實現內置單光子量子光源,無需外部單光子源。一束遠失諧寫光脈沖激發源銫原子氣體,輻射出一個Stokes光子,同時原子系綜中產生集體激發態,這個集體激發態就是被存儲的態。經過數年的努力,FORD方案真正成為瞭可以在室溫條件下運行的寬帶量子存儲器。進一步,研究團隊構建瞭一個寬帶全光存儲器,利用Pockels Cells控制飛行光子的偏振態,可以將外部註入的光子按需存儲和讀取,與FORD存儲器實現瞭很好的兼容和互補。將上述兩種不同類型的量子存儲器相結合,作為不同的量子網絡節點,該量子網絡可以實現量子態的產生、存儲和傳輸,同時研究人員觀察到瞭在很大范圍內其量子特性得到瞭很好保持。

基於上述兩種類型的量子節點,研究人員首次展示瞭對於一個可預報的光子鏈的存儲和操控,例如對單光子和多光子的組合、交換、分離、分割等操作。可預報的光子鏈態由FORD量子存儲器內部的自發拉曼散射過程產生,繼而光子鏈態被註入環形存儲器,經過一段可控的存儲時間之後,光子鏈態中的全部單光子可以以各自獨立的方式被取出,從而組合形成不同的光子鏈態。

上海交大金賢敏團隊實現混合架構的室溫寬帶存儲量子網絡

光子鏈態的產生、存儲和操控原理圖和測試結果

在量子技術日趨成熟和接近商用化的今天,量子增強的通信、計算和計量等技術相比於經典技術的優勢日益凸顯。而關鍵在於解決量子信息處理理論推向實際應用中的瓶頸問題,例如光量子信道不可避免的損耗以及量子態概率性產生的問題。量子存儲器一直以來被認為是解決上述問題的關鍵方案之一,高性能量子存儲器更是研究者長期追求的目標。未來,研究團隊希望充分發掘基於室溫寬帶量子存儲器的量子網絡的可擴展性,通過構建更多節點和提升節點性能的方式,使得量子網絡具有更豐富的量子信息處理能力。

研究團隊感謝上海市科委重大項目和國傢自然科學基金重點項目的雪中送炭,感謝中組部青年千人計劃、國傢重點研發計劃、上海市教委的大力支持。上海交通大學集成量子信息技術研究中心(IQIT)博士生龐曉玲為論文第一作者,金賢敏教授為論文通訊作者,合作者包括英國牛津大學Ian Walmsley教授,Joshua Nunn博士和以色列魏茨曼科學研究所的Eilon Poem博士等。

點擊https://advances.sciencemag.org/content/6/6/eaax1425查看論文原文。

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