中國(guó)學(xué)者用飛秒激光制備量子存儲(chǔ)器

  ICCSZ訊 3月8日消息：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子存儲(chǔ)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(chǔ)器。

可集成固態(tài)量子存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)示意圖  中國(guó)科大供圖

  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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)實(shí)驗(yàn)使用的存儲(chǔ)介質(zhì)大多是塊狀晶體，這種材料不能直接對(duì)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(chǔ)器的相干壽命嚴(yán)重受限。為了推進(jìn)量子存儲(chǔ)器的實(shí)用化，研究組從材料加工與測(cè)試裝備著手對(duì)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(chǔ)器。實(shí)驗(yàn)測(cè)定兩種方案對(duì)應(yīng)的保真度分別超過99%和97%，表明這種可集成量子存儲(chǔ)器具有很高的可靠性。

  針對(duì)相干壽命受限的問題，此前國(guó)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(gè)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(guó)際首個(gè)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(cè)得摻釹硅酸釔晶體的自旋回波信號(hào)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(shí)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(gè)數(shù)量級(jí)的提升。

  Physical Review Applied審稿人評(píng)價(jià)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(gè)數(shù)量級(jí)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)。