光纖中的光子損耗阻礙了量子信息在陸地上的長距離傳輸分布，由此，量子中繼器被提出來解決這個(gè)問題。但是由于量子中繼器的系統(tǒng)復(fù)雜性以及有限的通信距離，可行的解決方案包括可移動(dòng)量子存儲(chǔ)器和配備量子存儲(chǔ)器的衛(wèi)星，其中長壽命的光學(xué)量子存儲(chǔ)器是實(shí)現(xiàn)全球量子通信的關(guān)鍵組件。

圖1. Eu³⁺:Y₂SiO₅ 晶體的能圖。

2015年澳大亞國立大學(xué)團(tuán)隊(duì)在階塞曼效應(yīng)為零（ZEFOZ）的磁場下，觀察到摻銪硅酸釔晶體（Eu³⁺:Y₂SiO₅）的核自旋相干壽命長達(dá)6小時(shí)。迄今為止，在87Rb原子和Pr³⁺：Y₂SiO₅晶體中實(shí)現(xiàn)的長光存儲(chǔ)時(shí)間約為1分鐘。近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在光量子存儲(chǔ)域取得重要突破。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、周宗權(quán)研究組將相干光的存儲(chǔ)時(shí)間提升至1小時(shí)，刷新了2013年德國團(tuán)隊(duì)光存儲(chǔ)1分鐘的紀(jì)錄。該成果已發(fā)表在國際期刊《自然·通訊》上^[1]。

圖2：實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，包含低溫恒溫器。

中科大課題組結(jié)合理論預(yù)言實(shí)驗(yàn)測定摻銪硅酸釔晶體在ZEFOZ磁場下的完整能結(jié)構(gòu)。研究組結(jié)合了原子頻率梳（AFC）量子存儲(chǔ)方案以及ZEFOZ技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)的長壽命存儲(chǔ)。為了在ZEFOZ域?qū)崿F(xiàn)光存儲(chǔ)，了解基態(tài)和激發(fā)態(tài)的能結(jié)構(gòu)是解決問題的決條件。課題組使用連續(xù)波拉曼外差探測（RHD）獲得了ZEFOZ中的基態(tài)共振信息。實(shí)驗(yàn)確定的能結(jié)構(gòu)如圖1a所示。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1b所示，樣品被放在低溫恒溫器內(nèi)（溫度1.7K），磁場強(qiáng)度被設(shè)定為1.28斯拉。樣品放置于低溫傾角臺(tái)上，低溫傾角臺(tái)的傾角精度達(dá)到千分之二度。探測和泵浦光在進(jìn)入低溫恒溫器之前通過單模光纖（SMF）和光纖準(zhǔn)直器（FC）發(fā)出。

圖3. 回波強(qiáng)度與存儲(chǔ)時(shí)間關(guān)系圖。

實(shí)驗(yàn)中光信號(hào)被AFC吸收成為銪離子系綜的光學(xué)激發(fā)，接著被轉(zhuǎn)移為自旋激發(fā)，經(jīng)歷系列自旋保護(hù)脈沖操作后，終被讀取為光信號(hào)，總存儲(chǔ)時(shí)間長達(dá)1小時(shí)（見圖3）。通過加載相位編碼，實(shí)驗(yàn)證實(shí)在經(jīng)歷了1個(gè)小時(shí)存儲(chǔ)后，光的相位存儲(chǔ)保真度高達(dá)96.4 ± 2.5%。結(jié)果表明該裝置具有*的相干光存儲(chǔ)能力以及用于量子態(tài)存儲(chǔ)的潛力。

文章中，作者使用了德國attocube公司的attoDRY系列低溫恒溫器來實(shí)現(xiàn)樣品在低溫條件下的光量子存儲(chǔ)。該課題組的工作為基于長壽命固態(tài)量子存儲(chǔ)器的大規(guī)模量子通信帶來了光明的前景。

圖4：低振動(dòng)無液氦磁體與恒溫器—attoDRY系列，超低振動(dòng)是提供高分辨率與長時(shí)間穩(wěn)定光譜的關(guān)鍵因素。

attoDRY2100+CFM I主要技術(shù)點(diǎn)：

+ 應(yīng)用范圍廣泛:  量子光學(xué)，PL/EL/ Raman等光譜測量

+ 變溫范圍：1.8K - 300K

+ 空間分辨率：< 1 mm

+ 無液氦閉環(huán)恒溫器

+ 工作磁場范圍：0...9T (12T, 9T-3T，9T-1T-1T矢量磁體可選)

+ 低溫消色差物鏡NA=0.82

+ 精細(xì)定位范圍： 5mm X 5mm X 5mm @ 4K

+ 精細(xì)掃描范圍：30 mm X 30 mm@4K

+ 可進(jìn)行電學(xué)測量，配備標(biāo)準(zhǔn)chip carrier

+ 可升到AFM/MFM、PFM、ct-AFM、KPFM、SHPM等功能

參考文獻(xiàn)：

[1]. Zongquan ZHOU et al, One-hour coherent optical storage in an atomic frequency comb memory , Nature Communications,12,2381 (2021) 

相關(guān)產(chǎn)品：

1、無液氦低溫強(qiáng)磁場共聚焦顯微鏡-attoCFM

2、低震動(dòng)無液氦磁體與恒溫器-attoDRY