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問題。但是由于量子中繼器的系統(tǒng)復雜性以及有限的通信距離，可行的解決方案包括可移動量子存儲器和配備量子存儲器的衛(wèi)星，其中長壽命的光學量子存儲器是實現(xiàn)全球量子通信的關(guān)鍵組件。

圖1. Eu³⁺:Y₂SiO₅ 晶體的能圖。

2015年澳大亞國立大學團隊在階塞曼效應為零（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6小時。迄今為止，在87Rb原子和Pr³⁺：Y₂SiO₅晶體中實現(xiàn)的長光存儲時間約為1分鐘。近期，中國科學技術(shù)大學的郭光燦院士團隊在光量子存儲域取得重要突破。該團隊李傳鋒、周宗權(quán)研究組將相干光的存儲時間提升至1小時，刷新了2013年德國團隊光存儲1分鐘的紀錄。該成果已發(fā)表在國際期刊《自然·通訊》上^[1]。

圖2：實驗裝置示意圖，包含低溫恒溫器。

中科大課題組結(jié)合理論預言實驗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）量子存儲方案以及ZEFOZ技術(shù)，成功實現(xiàn)了光信號的長壽命存儲。為了在ZEFOZ域?qū)崿F(xiàn)光存儲，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。實驗確定的能結(jié)構(gòu)如圖1a所示。實驗裝置示意圖如圖1b所示，樣品被放在低溫恒溫器內(nèi)（溫度1.7K），磁場強度被設定為1.28斯拉。樣品放置于低溫傾角臺上，低溫傾角臺的傾角精度達到千分之二度。探測和泵浦光在進入低溫恒溫器之前通過單模光纖（SMF）和光纖準直器（FC）發(fā)出。

圖3. 回波強度與存儲時間關(guān)系圖。

實驗中光信號被AFC吸收成為銪離子系綜的光學激發(fā)，接著被轉(zhuǎn)移為自旋激發(fā)，經(jīng)歷系列自旋保護脈沖操作后，終被讀取為光信號，總存儲時間長達1小時（見圖3）。通過加載相位編碼，實驗證實在經(jīng)歷了1個小時存儲后，光的相位存儲保真度高達96.4 ± 2.5%。結(jié)果表明該裝置具有*的相干光存儲能力以及用于量子態(tài)存儲的潛力。

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

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

attoDRY2100+CFM I主要技術(shù)點：

+ 應用范圍廣泛:  量子光學，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

+ 精細定位范圍： 5mm X 5mm X 5mm @ 4K

+ 精細掃描范圍：30 mm X 30 mm@4K

+ 可進行電學測量，配備標準chip carrier

+ 可升到AFM/MFM、PFM、ct-AFM、KPFM、SHPM等功能

參考文獻：

[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、無液氦低溫強磁場共聚焦顯微鏡-attoCFM

2、低震動無液氦磁體與恒溫器-attoDRY