中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室潘建偉院士及其同事包小輝、趙博等同德國研究人員合作實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了具有高讀出效率及長存儲壽命的高性能量子存儲器。該實(shí)驗(yàn)在國際上首次將長存儲壽命和高讀出效率在單個存儲器內(nèi)結(jié)合起來，向可升級長程量子通信及可升級光學(xué)量子計算邁出了至關(guān)重要的一步。該成果近日發(fā)表于《自然·物理學(xué)》雜志上。
量子存儲器是量子中繼及大尺度光學(xué)量子計算中的關(guān)鍵器件，其核心性能指標(biāo)是存儲壽命和讀出效率。在以往研究中，延長存儲壽命和提高讀出效率這兩部分往往分開進(jìn)行，使得存儲壽命和讀出效率這兩個主要指標(biāo)沒有得到同步提升。具體來講，在以往實(shí)現(xiàn)長壽命量子存儲的實(shí)驗(yàn)中，盡管存儲壽命已經(jīng)提升至毫秒量級以上，但讀出效率卻僅為20%左右；在實(shí)現(xiàn)高效量子存儲的實(shí)驗(yàn)中，盡管讀出效率已經(jīng)提升70%以上，但存儲壽命卻僅有幾百納秒到幾微秒左右。僅單一性能指標(biāo)較好的量子存儲器無法滿足量子中繼及光學(xué)量子計算等的實(shí)際應(yīng)用需求。
研究表明，通過采取共線讀寫的幾何結(jié)構(gòu)延長自旋波波長可以提升存儲壽命，通過采取光腔增強(qiáng)的方式可以提升讀出效率。這兩部分相結(jié)合帶來的一個重要技術(shù)難題是，需要實(shí)現(xiàn)光腔與4個模式的同時共振。潘建偉小組通過巧妙的方案設(shè)計將這一四重共振的技術(shù)難題簡化為雙重共振，降低了實(shí)驗(yàn)難度。經(jīng)過課題組成員的艱苦努力，并通過一系列其他技術(shù)難題的攻克，最終成功實(shí)現(xiàn)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(biāo)最好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
論文審稿人認(rèn)為，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(fù)雜量子信息方案的大門”。(新華網(wǎng))