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我科學家首次實現高效率長壽命量子存儲器
關鍵詞： 量子信息處理 存儲器 長壽命 科學家 量子態 冷原子 量子計算 子刊 熊掌 自然·物理學
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23日，記者獲悉,中國科技大學微尺度物質科學國家實驗室潘建偉院士及包小輝、趙博等同德國研究人員合作實驗,實現了具有高讀出效率及長存儲壽命的高性能量子存儲器。最新一期英國《自然》雜志子刊《自然·物理學》在發表這一成果時評價,該工作“是朝向可升級量子信息處理方向的重要研究成果”,“開啟了利用多個原子系綜研究復雜量子信息方案的大門。”
量子存儲器的主要用途是存儲單個量子態,從而實現不同量子操作的時間同步,其核心性能指標是存儲壽命和讀出效率。在過去研究中,延長存儲壽命和提高讀出效率這兩部分往往分開進行,使得兩個主要指標沒有得到同步提升。在以往實現長壽命量子存儲的實驗中,盡管存儲壽命已經提升至毫秒量級以上,但讀出效率卻僅為20%左右;在實現高效量子存儲的實驗中,盡管讀出效率已經提升至70%以上,但存儲壽命卻僅有幾百納秒到幾微秒左右。而僅單一性能指標較好的量子存儲器,無法滿足量子中繼及光學量子計算等的實際應用需求。
如何讓量子存儲的“魚”和“熊掌”兼得?研究表明,通過采取共線讀寫的幾何結構延長自旋波波長可以提升存儲壽命,通過采取光腔增強的方式可以提升讀出效率。這兩部分相結合帶來的一個重要技術難題是:需要實現光腔與四個模式的同時共振。潘建偉小組通過巧妙的方案設計將這一四重共振的技術難題簡化為雙重共振,降低了實驗難度。經過課題組成員的艱苦努力,并通過一系列其他技術難題的攻克,最終成功實現了3.2毫秒的存儲壽命及73%的讀出效率。該成果為目前國際上量子存儲綜合性能指標最好的實驗結果。
據介紹,潘建偉小組從2005年開始在冷原子系綜量子存儲方面開展了系統性研究,迄今為止已經在《自然》、《自然·物理學》、《自然·光子學》和《物理評論快報》四個國際著名學術期刊上發表高水平論文十余篇,是目前國際上在量子存儲研究方面居于領先地位的幾個主要研究小組之一。此次成功實現高效率長壽命量子存儲器,則標志著中國科學家在該領域的領先地位更加鞏固。記者 李陳續