稀土提升光存储时间

据了解，中国科学技术大学研究者成功使用含有稀土元素铕的晶体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。

光的存储在量子通信领域尤其重要，这是因为基于光量子存储可以构建量子中继，从而克服信道损耗建立起大尺度量子网络。另外，远程量子通信的解决方案是量子U盘，即将光子存储在超长寿命量子U盘中，然后通过直接运输量子U盘来传输量子信息。为了进一步提高光场的利用率，降低光速乃至让光停留下来已成为国际学术界一直追求的目标。

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，但是这一光存储时间仍远低于量子U盘的技术需求；2015年澳大利亚国立大学团队在一阶塞曼效应为零磁场（ZEFOZ）下，观察到掺铕硅酸钇晶体的核自旋相干寿命能长达6小时，让人们看到了长寿命光存储的希望，但是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。

2015年，中国科学技术大学研究者就自制了光学拉曼外差探测核磁共振谱仪，专门用于稀土离子掺杂晶体的能级结构分析。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，幷在理论上预测了ZEFOZ磁场下的能级结构。

实验表明，掺铕硅酸钇晶体在ZEFOZ磁场下的完整能级结构，幷结合原子频率梳（AFC）量子存储方案以及ZEFOZ技术，成功实现了光信号的长寿命存储。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%。

该研究成果将光存储时间从分钟量级推进至小时量级，满足了量子U盘对光存储寿命指标的基本需求。

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