中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉和包小輝教授等采用冷原子系綜成功研制出百毫秒級(jí)高效量子存儲(chǔ)器，為遠(yuǎn)距離量子中繼系統(tǒng)的構(gòu)建奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。該成果5月31日發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》上。

量子中繼可以解決光子信號(hào)在光纖內(nèi)指數(shù)衰減的重大難題，是未來實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離量子通信的重要途徑之一。量子中繼的基本原理是采用分段糾纏分發(fā)與糾纏交換相結(jié)合來拓展通信距離，其核心是量子存儲(chǔ)技術(shù)，通過對(duì)光子比特進(jìn)行緩存，可大幅提升糾纏連接效率。為滿足遠(yuǎn)距離量子中繼的實(shí)際需求，量子存儲(chǔ)器需要對(duì)單量子態(tài)進(jìn)行長時(shí)間存儲(chǔ)且具備高讀出效率。

近年來，量子存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展很快，但到目前為止，還沒有一個(gè)體系能夠在存儲(chǔ)時(shí)間和效率方面同時(shí)滿足量子中繼需求。2012年，潘建偉、包小輝等首次實(shí)現(xiàn)了毫秒級(jí)的高效量子存儲(chǔ)器，但該存儲(chǔ)時(shí)間仍與遠(yuǎn)距離量子中繼的實(shí)際需求相距較遠(yuǎn)。

為進(jìn)一步提升存儲(chǔ)時(shí)間，潘建偉小組近年來發(fā)展了三維光晶格限制原子運(yùn)動(dòng)等多項(xiàng)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)技術(shù)，使得原子運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的退相干得到大幅抑制，并最終成功實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)壽命達(dá)到0.22秒、讀出效率達(dá)到76%的高性能量子存儲(chǔ)器。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果與2012年的工作相比，存儲(chǔ)壽命提升了近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

審稿人對(duì)這一工作的重要性給予高度認(rèn)可，并稱贊這一實(shí)驗(yàn)為“非凡絕技”。該實(shí)驗(yàn)的重要意義在于，第一次將存儲(chǔ)壽命及讀出效率提升到能夠滿足遠(yuǎn)距離量子中繼的實(shí)際需求。據(jù)估算，該成果結(jié)合多模存儲(chǔ)、高效通訊波段接口等技術(shù)，已原理上可支持通過量子中繼實(shí)現(xiàn)500公里以上糾纏分發(fā)。