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金贤敏团队实现室温量子存储器嵌入的时间能量纠缠

近日,英超联赛买球金贤敏团队首次在实验上实现了室温宽带量子存储器嵌入的时间能量纠缠,研究成果以“Time-bin entanglement built in room-temperature quantum memory”为题,于2021年6月1日在线发表在Physical Review A杂志,并被评选为Editors' Suggestion。

对于长距离量子通信而言,时间能量纠缠由于其在光纤传输过程中具有不发生退相干的特征,是目前应用最广泛的一种量子纠缠形式。目前只有极少数的研究团队将时间能量纠缠与量子存储相结合,并且只能在极低温的环境下得以实现。然而,室温下可运行,这个因素对于大规模的量子网络构建至关重要。因此,实现室温量子存储器嵌入的时间能量纠缠显得尤为重要。

图:室温量子存储器嵌入的时间能量纠缠。(a)FORD量子存储方案(b)实验方案(c)理想状态下的实验结果

 

金贤敏教授团队多年来致力于室温宽带量子存储领域的研究,尤其是聚焦于解决量子存储器内的数十亿个原子在室温下严重的噪声和量子品质下降等问题,2018年,该团队成功将每个操作的噪声降低到了0.0001个水平,成功将室温宽带光存储推进到量子区域 [Communications Physics 1, 55 (2018), npj Quantum Information 4, 31 (2018)]。进一步,研究团队提出了一种混合架构的可在室温下运行的宽带存储量子网络,同时集成了两个不同类型的量子存储器作为网络中的节点,能够在时域上对单个或多个光子进行组合、分离、交换和分割等操作[Science Advances 6, 6 (2020)]。

近期,在前期研究基础上,研究团队基于far off-resonance Duan-Lukin-Cirac-Zoller (FORD)量子存储方案,向碱金属铯原子池先后打入两组写读光,每一组写读过程都是一次量子存储过程,并且每一组写读过程都有一定概率产生一对关联光子对(Stokes光子和anti-Stokes光子)。当且仅当只产生一对关联光子对,并且在时间上无法分辨这对关联光子对来自于哪一组写读过程,便构建了室温量子存储器嵌入的时间能量纠缠。

为了消除前后两次写读过程之间的关联性,研究团队进一步提出了dual-addressing实验方案,即在两次写读过程间隙加入一束短暂但是能量密度较高的泵浦光,用以消除前一次写读过程残留下的信息,并且在实验上通过互关联强度测量验证了该方案的可行性。

图:泵浦光的性能

上述研究成果在室温条件下实现了量子存储器与时间能量纠缠的结合,填补了国际上这一领域的空白。相信结合量子中继站方案,该研究成果将对于未来大规模量子网络的构建具有十分重要的意义。

研究团队感谢上海市科委重大项目和国家自然科学基金重点项目的雪中送炭,感谢国家重点研发计划、上海市教委的大力支持。英超联赛买球集成量子信息技术研究中心硕士杨天怀为论文第一作者,金贤敏教授为论文通讯作者。

论文链接:

https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.103.062403

https://www.nature.com/articles/s42005-018-0057-9

https://www.nature.com/articles/s41534-018-0083-1

https://advances.sciencemag.org/content/6/6/eaax1425.abstract

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