中国科大制备出高性能可集成固态量子存储器
- 2020/3/10 14:05:16 23557
- 来源：仪表网
【仪表网 仪表研发】中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿团队在量子存储领域取得新进展。该团队李传锋、周宗权等人采用飞秒激光微加工技术制备出高保真度的可集成固态量子存储器，并基于自主研制设备实现稀土离子的电子自旋及核自旋相干寿命的全面提升。
电子自旋是电子的基本性质之一。电子内禀运动或电子内禀运动量子数的简称。1925年G.E.乌伦贝克和S.A.古兹密特受到泡利不相容原理的启发，分析原子光谱的一些实验结果，提出电子具有内禀运动——自旋，并且有与电子自旋相联系的自旋磁矩。由此可以解释原子光谱的精细结构及反常塞曼效应 。电子的自旋角动量如图，式中电子自旋S= 1/2。1928年P.A.M.狄拉克提出电子的相对论波动方程，方程中自然地包括了电子自旋和自旋磁矩。电子自旋是量子效应，不能作经典的理解，如果把电子自旋看成绕轴的旋转，则得出与相对论矛盾的结果。
量子存储器是构建量子网络的核心器件，它可以有效地克服信道损耗从而拓展量子通信的工作距离并且可以整合分处异地的量子计算及量子传感资源。当前固态量子存储器研究面临两方面的挑战，一方面，已有的固态量子存储实验使用的存储介质大多是块状晶体，这种材料不能直接对接光纤网络或集成光学芯片，难以实现大规模扩展性应用。
另一方面，稀土离子的电子自旋及核自旋与晶体内声子相互作用，导致量子存储器的相干寿命严重受限。为了推进量子存储器的实用化，研究组从材料加工与测试装备着手对以上问题展开系统性研究。稀土是化学周期表中镧系元素和钪、钇共十七种金属元素的总称。自然界中有250 种稀土矿。早发现稀土的是芬兰化学家加多林(John Gadolin)。1794 年，他从一块形似沥青的重质矿石中分离出第一种稀土“元素”(钇土，即Y2O3)。因为18世纪发现的稀土矿物较少，当时只能用化学法制得少量不溶于水的氧化物，历史上习惯地把这种氧化物称为“土”，因而得名稀土。
为解决扩展性问题，研究组采用飞秒激光微加工技术在掺铕硅酸钇晶体中刻蚀出光波导，研制出可集成的固态量子存储器。波导区域距晶体表面150微米，波导宽度为20微米，可以与其他微纳电子学及微纳光学器件进行集成加工。由于波导区域内的光场功率密度高，实验所需的控制激光功率相比块状晶体所需功率下降了约30倍。实验中演示了原子频率梳(AFC)以及低噪声回波恢复(ROSE)两种光量子存储方案，并通过参考光信号与存储器读出光信号之间的干涉，测定了存储保真度。两种方案对应的保真度分别超过99%和97%，表明这种可集成量子存储器具有很高的可靠性。
针对相干寿命受限的问题，一个有效解决方案是构造深低温(<0.5K)的脉冲式电子与核自旋双共振谱仪(ENDOR)，从而减少声子并极化电子自旋。由于传统的商用ENDOR 系统内热负载很高，其工作温度一般无法低于4K，此前学术界普遍认为深低温 ENDOR 是个无法实现的任务。研究组在解决了系列技术难题后，成功搭建出深低温脉冲式电子与核自旋双共振谱仪，并严格标定其低工作温度为0.1K。在0.1K温度下，测得掺钕硅酸钇晶体的自旋回波信号的信噪比相比4K温度下提升了20倍，电子自旋的布居数寿命和相干寿命分别达到15秒和2毫秒，同时核自旋的布居数寿命和相干寿命则分别达到10分钟和40毫秒，这四项寿命指标相比4K温度下均实现超过一个数量级的提升。
Optica 审稿人评价：“这个工作非常重要，它演示了实验技术以及方案的多样性，证明稀土掺杂晶体中刻蚀的光波导在量子信息领域中是一个非常有前景的平台。”
Physical Review Applied 审稿人评价：“这些测量是基于作者研制的一个mK 级别温度的ENDOR 谱仪实现的，这是一个上稀有的装备……这一设备使得一些物理系统可以实现更精确的谱分析，进入一个前人难以达到的温度区间。”“从4K到100mK，电子自旋及核自旋的相干寿命都实现超过一个数量级的提升。这是在稀土离子中通过深低温观察到自旋相干寿命的显著增强。”
资料来源：中国科学技术大学、百科
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