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量子U盘要来了!中国科学家将光存储时间提升至1小时

光速有多快?每秒30万公里又是什么概念?你能想象如何捕获并存储光速吗?

据中国科学技术大学官网消息,郭光灿院士团队在光量子存储领域取得重要突破。该团队李传锋、周宗权研究组将相干光的存储时间提升至1小时,大幅度刷新了2013年德国团队光存储1分钟的世界纪录,向实现量子U盘迈出重要一步。

该成果4月22日发表在国际知名期刊《自然·通讯》上。该工作得到审稿人的高度评价:“该成果是一个巨大的成就(a huge achievement)。”论文第一作者是中科院量子信息重点实验室博士研究生马钰。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、安徽省以及中国科学院的资助。周宗权得到中科院青年创新促进会的资助。

李传锋、周宗权研究组2015年自制光学拉曼外差探测核磁共振谱仪,依托该仪器,他们精确刻画了掺铕硅酸钇晶体光学跃迁的完整哈密顿量,并在理论上预测了一阶塞曼效应为零(ZEFOZ)磁场下的能级结构。

科研人员结合理论预言首次实验测定掺铕硅酸钇晶体在ZEFOZ磁场下的完整能级结构,并结合原子频率梳(AFC)量子存储方案以及ZEFOZ技术,成功实现光信号的长寿命存储。实验中,光信号首先被AFC吸收成为铕离子系综的光学激发,接着被转移为自旋激发,经历一系列自旋保护脉冲操作后,最终被读取为光信号,总存储时间长达1小时,且光的相位存储保真度高达96.4 ± 2.5%。

量子U盘来了!中国科学家将光存储时间提升至1小时

存储方案示意图,信号光场(probe)被梳状的原子吸收谱吸收,并被控制光场(control)存储为自旋激发,在射频(RF)场的操控下延长存储时间,最终读取为光信号。(图片源自中国科学技术大学

量子U盘来了!中国科学家将光存储时间提升至1小时

读出光脉冲信号强度与存储时间的关系。(图片源自中国科学技术大学

30万公里/秒的光速如何降低?量子U盘技术又有什么作用?

众所周知,现在光纤网络遍布全球,光已成为现代信息传输的基本载体。对光的捕获及存储可以帮助人们更有效地利用光场。而光速是指光波或电磁波在真空或介质中的传播速度。真空中的光速是目前所发现的自然界物体运动的最大速度,真空中的光速等于299,792,458米/秒(1,079,252,848.88千米/小时)。这个速度并不是一个测量值,而是一个定义。

光速被认为是宇宙中最快的速度,在爱因斯坦的相对论中光速是无法被超越的,虽然光速无法进一步突破,但科学家却反其道而行,一直在思考如何让光的速度下降。科学家们发现,在任何透明或者半透明的介质(比如玻璃和水)中,光速会降低,因此就从这方面入手考虑如何降低光速。

早在1999年,美国哈佛大学团队利用冷原子气体把光速降至17米每秒。2013年德国达姆施塔特大学团队利用掺镨硅酸钇晶体使得光停留了1分钟,创下该领域的世界纪录,然而这一光存储时间仍远低于量子U盘的技术需求。

2015年,苏格兰的科学家使用了单个光子通过一个特殊的装置。在实验设置中,一个光子处于正常的状态前进,另一个光子使用特殊的装置释放,科学家对比两个途径光子的速度,最后发现后一组的光子速度出现的下降。有趣的是,即便光子回到自由的空间中,其仍然以较低的速度运行,这个实验改变了科学界对光速的看法。

2015年澳大利亚国立大学团队在一阶塞曼效应为零(ZEFOZ)磁场下,观察到掺铕硅酸钇晶体的核自旋相干寿命长达6小时,让人们看到了长寿命光存储的希望。然而由于对该材料的能级结构缺乏了解,至今未能实现长寿命光存储。

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