上海交大金贤敏团队解决室温宽带量子存储和量子光源匹配性和一体化集成问题

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7月20日，Nature合作期刊npj Quantum Information（影响因子9.2）以“Direct Observation of Broadband Nonclassical States in a Room-temperature Light-matter Interface”为题发表了上海交通大学金贤敏研究团队最新研究成果。这是npj Quantum Information上发表的第一篇以上海交通大学为第一单位的学术论文。该论文报道了室温下激光脉冲与碱金属铯原子蒸气的多场干涉以及宽带非经典态的直接观测，首次验证了宽带量子光源内嵌的光与原子干涉接口可以在室温环境下运行，解决了室温宽带量子存储和量子光源匹配性和一体化集成问题，对构建可扩展可集成的量子信息网络具有重要意义。

左图：简化的实验装置图。红色圆点和蓝色圆点表示非经典关联的光子对。

右图：实验装置

用于量子通信和量子计算的量子信息网络需要两个关键元素：携带非经典信息的可飞行的量子比特，和作为节点的可存储量子比特的量子存储器。具体而言，量子信息网络需要具备高保真度、内部元素互相兼容、可在室温条件下高速操作这几个特点。尽管之前已经有很多工作试着将存储器的带宽从窄带变为宽带，也试着将存储介质从超低温升级到室温，但是直到最近才实现真正可以工作在量子区域的室温宽带量子存储器，由上海交大金贤敏团队和牛津大学Ian Walmsley团队采用不同的方案同时完成（https://arxiv.org/abs/1704.06309, https://arxiv.org/abs/1704.00013）。随着存储器的突破，如何得到能与室温宽带量子存储器匹配的量子比特光源成为必须攻破的课题。

通过激光泵浦非线性晶体的参量下转换过程产生的非经典光子的光谱太宽（THz），反而不能与室温量子存储器的带宽（GHz）匹配。虽然使用外腔可以将光谱压窄，但是搭建和维护这样的光路是非常困难的，用于构建一个大规模的量子信息网络更是挑战。

滤波腔的透过窗口和光子频谱的卷积。峰1和峰2对应的光子就是我们想要的非经典关联光子对。

如果产生非经典态所使用的物理系统以及作用机制都能与量子存储器的一致，那么这样的非经典态的频率和带宽将会和量子存储器的完美匹配，一个简洁的量子信息网络就可以直接实现。在过去的十五年中，许多基于冷原子的工作成功产生了非经典态（预报式的单光子源或者叫双光子源）。但是具备室温、宽带特性的量子比特光源更具吸引力，而且也是具备信息处理速度快且物理上可扩展的量子技术所必需的。很多研究团队尝试过在室温环境下得到这样的量子比特光源，单发现噪音太大，不能工作在量子区域下。之前的实验往往采用的失谐比较小，因此受到多普勒效应和原子碰撞导致的荧光噪音的严重影响。值得一提的是宽带非经典关联可以使用连续激光激发具有梯形能级结构的热原子来产生。但是这样的光子的产生时间是随机的，明显不同于宽带量子存储器的运行方式（读写是脉冲式的和可编程的）。

左图为关联光子对的激发概率与脉冲能量的对应关系。

右图所示的互关联函数都超过经典边界2，即绿色虚线。这说明观测到的光子对是非经典关联的。

金贤敏团队提出一个巧妙而直接的方案，用一个远失谐的耦合脉冲来激发光场与铯原子气体的干涉以及类似于Mollow三峰辐射的多场辐射。由于荧光噪声光子主要集中在原子共振频率附近的几个GHz的范围内，所以远失谐方案可以避开这个近共振区域。研究团队在多项实验技术指标上推进到目前有报道的最好水平，例如，他们搭建了一套精细的级联光腔可以把一个单光子信号从一千万个噪声光子中找出来。最终，他们做到了室温、宽带、低噪音、非经典性、与量子存储器匹配性这些关键指标的同时实现，而且实验结果符合他们的理论预期。值得一提的是该工作还使用了共线方式（想要的关联光子与入射的耦合脉冲光同向共轴），这种模式原理上可实现更长寿命，但是滤除噪声难度太大，这是在室温原子实验中人们曾经不愿或者不敢尝试的方式。金贤敏团队7月发表的这项最新研究首次验证了宽带量子光源内嵌的光与原子干涉接口可以在室温环境下运行，解决了室温量子存储和量子光源匹配性和一体化问题，对构建可扩展可集成的量子信息网络具有重要意义。

该研究工作被选为置顶封面文章

研究团队感谢上海市科委重大项目和国家自然科学基金重点项目的雪中送炭，感谢中组部青年千人计划、国家重点研发计划和上海市教委的大力支持。

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