“鱼”和“熊掌”可兼得

    本报合肥5月23日电 记者李陈续今天获悉,中国科技大学微尺度物质科学国家实验室潘建伟院士及包小辉、赵博等同德国研究人员合作实验,实现了具有高读出效率及长存储寿命的高性能量子存储器。最新一期英国《自然》杂志子刊《自然·物理学》在发表这一成果时评价,该工作“是朝向可升级量子信息处理方向的重要研究成果”,“开启了利用多个原子系综研究复杂量子信息方案的大门。”

    量子存储器的主要用途是存储单个量子态,从而实现不同量子操作的时间同步,其核心性能指标是存储寿命和读出效率。在过去研究中,延长存储寿命和提高读出效率这两部分往往分开进行,使得两个主要指标没有得到同步提升。在以往实现长寿命量子存储的实验中,尽管存储寿命已经提升至毫秒量级以上,但读出效率却仅为20%左右;在实现高效量子存储的实验中,尽管读出效率已经提升至70%以上,但存储寿命却仅有几百纳秒到几微秒左右。而仅单一性能指标较好的量子存储器,无法满足量子中继及光学量子计算等的实际应用需求。

    如何让量子存储的“鱼”和“熊掌”兼得?研究表明,通过采取共线读写的几何结构延长自旋波波长可以提升存储寿命,通过采取光腔增强的方式可以提升读出效率。这两部分相结合带来的一个重要技术难题是:需要实现光腔与四个模式的同时共振。潘建伟小组通过巧妙的方案设计将这一四重共振的技术难题简化为双重共振,降低了实验难度。经过课题组成员的艰苦努力,并通过一系列其他技术难题的攻克,最终成功实现了3.2毫秒的存储寿命及73%的读出效率。该成果为目前国际上量子存储综合性能指标最好的实验结果。

    据介绍,潘建伟小组从2005年开始在冷原子系综量子存储方面开展了系统性研究,迄今为止已经在《自然》、《自然·物理学》、《自然·光子学》和《物理评论快报》四个国际著名学术期刊上发表高水平论文十余篇,是目前国际上在量子存储研究方面居于领先地位的几个主要研究小组之一。此次成功实现高效率长寿命量子存储器,则标志着中国科学家在该领域的领先地位更加巩固。