超國際紀錄60倍！中科大團隊將光存儲時間提升至1小時，真正實現“把光留住”
“因為光纖傳輸有指數級的衰減，遠距離傳輸單光子基本不可能。而量子 U 盤能解決遠程傳遞單光子的難題，”説到最近的成果，中國科學技術大學副教授周宗權告訴 DeepTech。
圖 | 論文作者：依次為馬鈺、李傳鋒、郭光燦、周宗權（來源：作者提供）
4 月 22 日，郭光燦院士團隊的李傳鋒、周宗權等在光量子存儲領域取得重要突破，其將相干光存儲時間提升至 1 小時，創造了新的世界紀錄。
這意味着向基於可搬運量子存儲的遠距離量子通信技術邁出了重要一步。4 月 22 日，相關論文以“One-hour coherent optical storage in an atomic frequency comb memory”為題發表在《自然?通訊》上。
圖 | 相關論文（來源：受訪者）
多年來，學界始終難以建立長壽命的相干光儲存系統
無論是對 “以太” 的着迷還是 “波粒二象性” 的爭論，人類從未停止過對光的探究，也在想着如何改造、利用甚至征服光。
隨着光纖的廣泛使用，光已經成為現代信息傳輸的重要載體，在時下熱門的 “量子通信” 和 “量子糾纏” 技術中，光因其優良性質被很多研究小組選為量子系統的信息載體，光纖也成為其中長距離量子通信技術的重要通道。
圖 | 量子技術（來源：Pixabay）
然而，長距離傳輸的光信號，都將逃不開一個令人頭疼的問題 —— 長距離傳輸中的信號衰減和失真。量子中繼技術是一個解決辦法，即在長距離傳輸的中間設立幾個基於量子存儲器的中繼站，用來克服損耗建立起遠程的量子糾纏。但是，這樣的做法也因中繼系統太過複雜目前仍未取得實際應用。
如果能夠和電子計算機一樣，建立起長期穩定可靠的光量子儲存系統，一切問題就迎刃而解了。如此一來，我們就能通過傳遞光量子存儲的實體來傳遞量子信息，又或者建立配置有光量子存儲系統的衞星來實現全球範圍的量子通信。
光量子存儲看上去很簡單，就是將光存儲起來，然後再發出去就好了，那我們用一塊太陽能電池和 LED 就能實現了麼？比如説《國產凌凌漆》中的太陽能手電筒。
圖 | 太陽能手電筒（來源：網絡）
其實不然，太陽能電池存儲的只是光的能量，並不能加載量子信息。而可以加載量子信息的是光的位相，如果位相發生變化，信息就會失真，存儲也會失敗。相干光存儲，指的是可以存儲光位相的存儲器，當入射光場弱至單個光子水平時，它就是光量子存儲器。
只有讓這一存儲的時長達到秒級以上，才能逐漸使得這樣的技術投入應用，這跟把電能存儲在電容器、或電池中是一樣的。
科學家們想了很多辦法，最直接的就是將光變慢，然後將其禁錮起來。1999 年，哈佛大學團隊使用外加磁場的冷原子氣體，把光速降到 17 米每秒，相關論文登上Nature封面，封面圖內容是一輛自行車在和光賽跑。
圖 | 哈佛大學團隊發在Nature的論文（來源：Nature）
接着，在 2001 年的實驗中，他們將光信號存儲起來起來，束縛在一定空間內。不過，該實驗方案的光存儲時間只在幾千分之一秒量級，與長期存儲還相去甚遠。
時間來到 2013 年，德國達姆施塔特大學團隊採用基於摻鐠硅酸釔晶體（Pr3+:Y2SiO5）系統，利用其電磁誘導透明效應，建立了光 - 自旋激發、並將光存儲在其中，最終停留了 1 分鐘，這創下了當時該領域的世界紀錄。
簡單來説，德國團隊建立了一個光學的 “冰箱”，這個冰箱就是摻鐠硅酸釔晶體（Pr3+:Y2SiO5）。
整個過程簡單來説就是三步走，第一步把 “冰箱門” 打開，第二步把光放進去，第三步把 “冰箱門” 關上。其中的磁誘導透明效應，是控制 “冰箱門” 的關鍵，有此效應的介質在特定條件下，不會吸收某特定頻率的光。
圖 | 光的傳播（來源：Pixabay）
實驗中，該團隊把一束控制激光射向晶體，觸發其電磁誘導透明效應，使晶體不會吸收某些頻率的光，也就是會變得透明。
隨後，他們用特定頻率的第二束光承載信息，照射透明的晶體，接着關閉控制激光束，讓晶體變回不透明狀。這就將光存儲在晶體之中，其中光信號的能量被晶體中的其他原子吸收，而其中信息也轉化成了原子自旋激發。
到了讀取階段，再重新開啓控制激光束，打開導出光路，將原子自旋激發重新釋放給光子，如此就能導出光信號。研究人員重複了多次實驗，發現這些原子自旋激發可以實現光的相干存儲的時間為一分鐘，一旦超過這個時間，重新讀取的信息就會失真。
圖 | 德國達姆施塔特大學團隊光儲存方案光路示意圖（來源：網絡）
這給後人留下了啓示，即可以將光導入到一種特殊材料中，並用某些控制手段讓其全部存留在其中，從而被材料吸收。
如果用相應手段導出的光，在歷經長時間後仍然保持相干性，光量子儲存技術就成型了，只是這種新材料和相應的控制技術並不好找。
輪到中科大團隊出場！
據瞭解，中科大李傳鋒、周宗權課題組，一直致力於基於稀土離子摻雜晶體的固態量子存儲實驗研究，為此他們瞄準了摻銪硅酸釔晶體（Eu3+:Y2SiO5）。
周宗權告訴 DeepTech：“本次光儲存方案的關鍵之一就是材料的選擇，摻鐠硅酸釔晶體的極限只能做到 1 分鐘，摻銪硅酸釔晶體其實是能夠做到一個月的。”
而選擇摻銪硅酸釔晶體的原因之一，也是因為關注到了澳大利亞國立大學團隊在 2015 年做出的成果，澳洲團隊在一階塞曼效應為零（ZEFOZ）磁場下，觀察到摻銪硅酸釔晶體的核自旋相干壽命可以達到 6 小時。但是，他們並未對該材料的能級結構，做出正確和完整的分析、也沒有實現光存儲。
同樣在 2015 年，周宗權所在團隊開始自研一台光學拉曼外差探測核磁共振譜儀，基於摻銪硅酸釔晶體的核磁共振數據，他們精確刻畫出摻銪硅酸釔晶體光學躍遷的完整哈密頓量，並於 2018 年在理論上預測了 ZEFOZ 磁場下的能級結構，接着又首次實驗測定了、摻銪硅酸釔晶體在 ZEFOZ 磁場下的完整能級結構。
有了能級結構，就有了攻克光量子存儲這一 “堡壘” 的地圖。能級之間的能量變化正好能夠有指向性地對應一些特定頻率的光，知曉能級結構則是控制光信息的導入和導出的第一步。
圖 | 中科大團隊光量子儲存方案：a.ZEFOZ 磁場下的能級結構；b. 系統光路示意圖（來源：受訪者）
在此基礎上，本次團隊結合了原子頻率梳（AFC）量子存儲方案和 ZEFOZ 技術，攻克了光信號的長壽命存儲難題。其中原子頻率梳技術，可以認為是一項極其精確的操控原子的技術，可用於捕捉光信號。
周宗權表示：“原子頻率梳技術是目前唯一一種能夠在稀土離子摻雜晶體中成功實現長壽命光量子存儲的方案。”
（來源：受訪者）
具體而言，實驗中的光信號（下圖中 Probe）首先被 AFC（下圖中 | 3>g 態）吸收成為銪離子系綜的光學激發（下圖中 | 3>e 態），接着被控制信號（下圖中 Control）轉移為自旋激發（下圖中 | 4>g 態）。
圖 | 光量子存儲方案示意圖（來源：中科大）
經歷一系列的自旋保護脈衝操作後，最終可讀取出光信號，總存儲時間長達 1 小時。值得一提的是，其中用作保護和延長存儲壽命的是基於射頻（RF）信號的動態解耦（Dynamical Decoupling）技術實現的。
雖然是最後一個環節，但是也是相當重要，周宗權告訴 DeepTech：“在晶體中有很多鐿原子，其核自旋在不停翻轉，它們就構成了晶體內部的擾動磁場，會使得這個銪離子的核自旋退相干。所以我們基於前人的成果，在這裏加入了一個週期性的翻轉信號，讓這個擾動磁場的效果在整體積分層面上來看消失。”
簡單來説，就是在外部加入了翻轉信號來減少背景噪聲對於信號的影響，從而延長光量子存儲的壽命。
最後，研究小組將光信號讀出，實驗證實在經歷了 1 個小時存儲後，光的位相存儲保真度高達 96.4 ± 2.5%，這説明該裝置具有極強的相干光存儲能力以及用於量子態存儲的潛力。
周宗權表示，論文發佈後，國際學術界還提出了一些意外的新應用場景，比如在甚長基線干涉儀的天文望遠鏡中，可以利用量子 U 盤運輸光場來擴大幹涉儀的尺寸，從而大幅地提高光學望遠鏡的分辨率。
（來源：受訪者）
即將研發量子 U 盤原型機
對於可能的應用，他説：“沿着遠程量子通信這條路走下去，那麼就只有兩個方向，量子中繼和量子 U 盤。”
具體而言，如果在量子中繼衞星上部署光量子存儲技術，一小時的存儲時間足以讓一個衞星從西半球覆蓋到東半球，形成全球範圍的覆蓋。
量子 U 盤則是量子技術中出現的專屬存儲方式，擁有着基於量子力學原理的安全性，就像是一個有高級密鑰的 U 盤。
（來源：網絡）
相比普通 U 盤，量子 U 盤不用擔心數據被人竊取，更不用擔心丟失，即便不小心丟了也只是丟了一個 U 盤外殼而已，裏面的數據不會被任何人竊取。
下一步，他計劃先在實驗室研發出量子 U 盤原型機，未來期望能真正走向實用。