首次观察到单光子的光子回波并实现高保真度的固态量子存储

记者日前从中国科学技术大学获悉，该校郭光灿院士团队李传锋、周宗权研究组提出并实验实现“无噪声光子回波”，成功将背景噪声从1光子降低到0.0015光子，首次观察到单光子的光子回波并实现高保真度的固态量子存储。该成果7月19日发表于《自然·通讯》。审稿人认为，这是通往高性能量子存储器的一项重要进展。

光子回波是原子与一系列电磁波脉冲相互作用时发出的相干辐射，是存储和操纵光的有力工具。光子回波作为光与物质作用的一种基本物理过程，已在众多学科领域取得广泛应用，代表性应用有核磁共振成像(射频波段)、电子顺磁共振谱仪(微波段)、二维电子光谱(光波段)等，其中自旋回波是射频波段的光子回波。如果把光子回波应用到量子领域，则有望实现任意波段的光量子存储器，从而建立超导量子计算机的微波光子学界面以及建立基于光波光子的大尺度量子网络。然而，已有的光子回波方案均存在一个本质缺陷，即光子回波的发射信号被自发辐射噪声所污染，这从根本上阻止了光子回波应用到量子领域。

李传锋、周宗权研究组提出的“无噪声光子回波”方案，创造性地结合不同频率的控制脉冲以及两次重聚过程，可通过频谱滤波严格消除自发辐射噪声。他们在掺铕硅酸钇晶体(量子优盘的工作介质)中实现了“无噪声光子回波”方案，实测的背景噪声为0.0015光子，比之前光子回波实验的噪声降低了99.85%。在单光子信号入射的条件下，回波信噪比达42.5，光量子比特的存储保真度达95.2%。

该原创性方案具备高效率、高保真度及易于实现的特性，在量子优盘应用中具有显著优势，这种新技术还有望在其他学科领域信号提取等方面激发出新应用。

关键词： 单光子 光子回波 高保真度 量子存储