上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院講席教授，李政道研究所兼職研究員張衛(wèi)平團隊，在量子信息存儲領(lǐng)域取得重大突破，成功實現(xiàn)了一種高效率高保真、低噪聲的寬帶量子存儲新技術(shù)。該團隊揭示了量子存儲中光-原子時空變換的本質(zhì)，發(fā)展了智能控制的自旋波壓縮技術(shù)，突破了現(xiàn)有量子存儲中高效率與低噪聲無法兼容的性能瓶頸。在60 MHz帶寬下，實現(xiàn)了94.6%的存儲效率和98.91%的量子保真度，噪聲低至0.026光子/脈沖。相關(guān)研究成果近日以為題發(fā)表于《物理評論快報》（Physical Review Letters），并被美國物理學(xué)會（APS）網(wǎng)站選為。

▲圖1 APS Physics 網(wǎng)站上 Synopsis 專題報道

量子存儲器是實現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡(luò)、量子計算與量子中繼的核心器件，其性能直接決定了量子信息處理的效率與可靠性。傳統(tǒng)量子存儲方案在提升存儲效率的同時，往往會放大系統(tǒng)中的四波混頻（FWM）噪聲，導(dǎo)致量子態(tài)失真，嚴重制約了其在高帶寬、單光子水平下的實用化進程。如何在保持高效率的同時有效抑制噪聲，成為量子信息領(lǐng)域長期未解的關(guān)鍵難題。

針對這一挑戰(zhàn)，該研究團隊從光與原子相互作用的基本機制出發(fā)，首次揭示了光脈沖時域波形與原子自旋波空間分布之間的漢克爾時空變換映射關(guān)系，如圖1所示?；诖?，團隊提出并實驗驗證了一種智能光控自旋波壓縮策略，通過優(yōu)化控制光脈沖的時域形狀，使激發(fā)出的自旋波在空間上高度局域化，從而在不增加噪聲的前提下顯著提升存儲效率與保真度。

▲圖2. 拉曼量子存儲器中的漢克爾時空變換映射關(guān)系。（a）寫入過程中生成的自旋波空間分布是輸入光場的漢克爾譜。（b）讀出過程中輸出光場的時間波形是自旋波的漢克爾譜。

實驗中，研究團隊采用差分進化算法，對控制光脈沖進行智能優(yōu)化，在熱原子銣（87Rb）氣體中實現(xiàn)了對17納秒光脈沖的高效存儲與讀取。結(jié)果顯示，該方案在單光子輸入條件下，實現(xiàn)了94.6%±1%的存儲效率與98.91%±0.1%的量子保真度，噪聲水平低至0.026±0.012光子/脈沖，信噪比高達38.8，噪聲-效率比僅為0.028，是高帶寬存儲體系首次效率突破90%的可實用瓶頸。

▲圖3. 智能自旋波壓縮策略實現(xiàn)近完美量子存儲實驗裝置及結(jié)果

該成果不僅首次在寬帶條件下實現(xiàn)了“近完美”的量子存儲性能，也為構(gòu)建高速量子通信網(wǎng)絡(luò)、量子中繼器及連續(xù)變量量子信息系統(tǒng)提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。該技術(shù)可顯著提升量子密鑰分發(fā)（QKD）系統(tǒng)的傳輸速率與距離，未來在500公里以上量子通信鏈路中具有重要應(yīng)用潛力。

該論文第一作者是上海交通大學(xué)郭進先副研究員，共同通信作者為郭進先，華東師范大學(xué)陳麗清教授，上海交通大學(xué)張衛(wèi)平教授。該項工作獲得了合肥國家實驗室、上海市量子科學(xué)中心、國家自然科學(xué)基金委、量子科技創(chuàng)新2030計劃、上海市科委及教委、中國博士后基金會等項目的資助。