現(xiàn)在光纖網(wǎng)絡(luò)遍布全球，光已成為現(xiàn)代信息傳輸?shù)幕据d體。對(duì)光的捕獲及存儲(chǔ)可以幫助人們更有效地利用光場。光速高達(dá)30萬公里每秒，降低光速乃至讓光停留下來是國際學(xué)術(shù)界孜孜以求的目標(biāo)。光的存儲(chǔ)在量子通信領(lǐng)域尤其重要，這是因?yàn)榛诠饬孔哟鎯?chǔ)可以構(gòu)建量子中繼，從而克服信道損耗建立起大尺度量子網(wǎng)絡(luò)。另一種遠(yuǎn)程量子通信的解決方案是量子U盤，即把光子存儲(chǔ)到超長壽命量子存儲(chǔ)器(量子U盤)中，然后通過直接運(yùn)輸量子U盤來傳輸量子信息。考慮到飛機(jī)和高鐵等的速度，量子U盤的光存儲(chǔ)時(shí)間需要達(dá)到小時(shí)量級(jí)。
早在1999年，美國哈佛大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用冷原子氣體把光速降至17米每秒。2013年德國達(dá)姆施塔特大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用摻鐠硅酸釔晶體使得光停留了1分鐘，創(chuàng)下該領(lǐng)域的世界紀(jì)錄，然而這一光存儲(chǔ)時(shí)間仍遠(yuǎn)低于量子U盤的技術(shù)需求。2015年澳大利亞國立大學(xué)團(tuán)隊(duì)在一階塞曼效應(yīng)為零磁場下，觀察到摻銪硅酸釔晶體的核自旋相干壽命長達(dá)6小時(shí)，讓人們看到了長壽命光存儲(chǔ)的希望。然而由于對(duì)該材料的能級(jí)結(jié)構(gòu)缺乏了解，至今未能實(shí)現(xiàn)長壽命光存儲(chǔ)。
△存儲(chǔ)方案示意圖
依托自主研發(fā)的光學(xué)拉曼外差探測核磁共振譜儀，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)精確刻畫了摻銪硅酸釔晶體光學(xué)躍遷的完整哈密頓量，并通過理論預(yù)測和實(shí)驗(yàn)觀測，成功實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)的長壽命存儲(chǔ)，總存儲(chǔ)時(shí)間長達(dá)1小時(shí)。通過加載相位編碼，實(shí)驗(yàn)證實(shí)在經(jīng)歷了1個(gè)小時(shí)存儲(chǔ)后，光的相位存儲(chǔ)保真度高達(dá)96.4±2.5%。這些結(jié)果表明該裝置具有極強(qiáng)的相干光存儲(chǔ)能力以及用于量子態(tài)存儲(chǔ)的潛力。
這一科研成果將光存儲(chǔ)時(shí)間從分鐘量級(jí)推進(jìn)至小時(shí)量級(jí)，滿足了量子U盤對(duì)光存儲(chǔ)壽命指標(biāo)的基本需求。研究團(tuán)隊(duì)李傳鋒教授介紹，接下來通過優(yōu)化存儲(chǔ)效率及信噪比，有望實(shí)現(xiàn)量子U盤，從而可以基于經(jīng)典運(yùn)輸工具實(shí)現(xiàn)量子信息的傳輸，建立一種全新的量子信道。
