可集成固態(tài)量子存儲實(shí)驗(yàn)示意圖。中國科大供圖?！翘m　攝

中新網(wǎng)合肥3月8日電 (記者 吳蘭)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)8日消息：該校郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子存儲領(lǐng)域取得重要進(jìn)展——用飛秒激光技術(shù)制備出高性能可集成固態(tài)量子存儲器。

相關(guān)成果分別于近日發(fā)表在著名物理學(xué)期刊Optica和Physical Review Applied上。

據(jù)介紹，團(tuán)隊(duì)李傳鋒、周宗權(quán)等人采用飛秒激光微加工技術(shù)制備出高保真度的可集成固態(tài)量子存儲器，并基于自主研制設(shè)備首次實(shí)現(xiàn)稀土離子的電子自旋及核自旋相干壽命的全面提升。

量子存儲器是構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的核心器件，它可以有效地克服信道損耗從而拓展量子通信的工作距離并且可以整合分處異地的量子計(jì)算及量子傳感資源。

當(dāng)前固態(tài)量子存儲器研究面臨兩方面的挑戰(zhàn)，一方面，已有的固態(tài)量子存儲實(shí)驗(yàn)使用的存儲介質(zhì)大多是塊狀晶體，這種材料不能直接對接光纖網(wǎng)絡(luò)或集成光學(xué)芯片，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模擴(kuò)展性應(yīng)用；另一方面，稀土離子的電子自旋及核自旋與晶體內(nèi)聲子相互作用，導(dǎo)致量子存儲器的相干壽命嚴(yán)重受限。為了推進(jìn)量子存儲器的實(shí)用化，研究組從材料加工與測試裝備著手對以上問題展開系統(tǒng)性研究。

為解決擴(kuò)展性問題，研究組采用飛秒激光微加工技術(shù)首次在摻銪硅酸釔晶體中刻蝕出光波導(dǎo)，研制出可集成的固態(tài)量子存儲器。實(shí)驗(yàn)測定兩種方案對應(yīng)的保真度分別超過99%和97%，表明這種可集成量子存儲器具有很高的可靠性。

針對相干壽命受限的問題，此前國際學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為深低溫(<0.5K)的脈沖式電子與核自旋雙共振譜儀是個無法實(shí)現(xiàn)的任務(wù)。研究組在解決了系列技術(shù)難題后，成功搭建出國際首個深低溫脈沖式電子與核自旋雙共振譜儀，并嚴(yán)格標(biāo)定其最低工作溫度為0.1K。

在0.1K溫度下，測得摻釹硅酸釔晶體的自旋回波信號的信噪比相比4K溫度下提升了20倍，電子自旋的布居數(shù)壽命和相干壽命分別達(dá)到15秒和2毫秒，同時核自旋的布居數(shù)壽命和相干壽命則分別達(dá)到10分鐘和40毫秒，這四項(xiàng)壽命指標(biāo)相比4K溫度下均實(shí)現(xiàn)超過一個數(shù)量級的提升。

Physical Review Applied審稿人評價認(rèn)為，從4K到100mK，電子自旋及核自旋的相干壽命都實(shí)現(xiàn)超過一個數(shù)量級的提升。這是首次在稀土離子中通過深低溫觀察到自旋相干壽命的顯著增強(qiáng)。