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光子回波是原子與一系列電磁波脈沖相互作用時(shí)發(fā)出的相干輻射。該現(xiàn)象是沃爾夫獎(jiǎng)得主歐文·哈恩（Erwin Hahn）于1950年在射頻波段發(fā)現(xiàn)的，歷史上稱之為自旋回波（spin echo）。自旋回波和光子回波的物理本質(zhì)是一致的，即強(qiáng)電磁波脈沖使大量原子的演化位相發(fā)生重聚，從而使初始的電磁波激發(fā)以回波的形式發(fā)射出來(lái)。自旋回波就是射頻波段的光子回波。

光子回波作為光與物質(zhì)作用的一種基本物理過(guò)程，已在眾多學(xué)科領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用，代表性的應(yīng)用有核磁共振成像（射頻波段）、電子順磁共振譜儀（微波段）以及二維電子光譜（光波段）等。這些經(jīng)典領(lǐng)域的應(yīng)用表明光子回波是存儲(chǔ)和操縱光的有力工具，如果把光子回波應(yīng)用到量子領(lǐng)域，則有望實(shí)現(xiàn)任意波段的光量子存儲(chǔ)器，從而建立超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的微波光子學(xué)界面，以及建立基于光波光子的大尺度量子網(wǎng)絡(luò)。

然而強(qiáng)電磁波脈沖作用在原子系綜上，會(huì)給原子上能級(jí)帶來(lái)殘留布居數(shù)，導(dǎo)致自發(fā)輻射噪聲。已有的光子回波方案都存在一個(gè)本質(zhì)缺陷，其光子回波發(fā)射的上能級(jí)與殘留布居的上能級(jí)是同一能級(jí)，所以光子回波的發(fā)射信號(hào)必然被自發(fā)輻射噪聲所污染。這從根本上阻止了光子回波應(yīng)用到量子領(lǐng)域。此前最低噪聲的光子回波實(shí)驗(yàn)是法國(guó)國(guó)家科學(xué)中心團(tuán)隊(duì)于2014年完成的，其背景噪聲超過(guò)1個(gè)光子，無(wú)法滿足量子信息應(yīng)用的需求。

李傳鋒、周宗權(quán)研究組基于四能級(jí)的原子系統(tǒng)提出了NLPE方案。該方案創(chuàng)造性地結(jié)合了不同頻的控制脈沖以及兩次重聚過(guò)程，使得發(fā)射光子回波的上能級(jí)與殘留布居的上能級(jí)是不同能級(jí)，所以可通過(guò)頻譜濾波嚴(yán)格消除自發(fā)輻射噪聲。研究組還在摻銪硅酸釔晶體（量子優(yōu)盤的工作介質(zhì)）中實(shí)現(xiàn)了NLPE方案，實(shí)測(cè)的背景噪聲為0.0015光子，比前人光子回波實(shí)驗(yàn)的噪聲降低了670倍。在單光子信號(hào)入射的條件，回波的信噪比達(dá)42.5，光量子比特的存儲(chǔ)保真度達(dá)95.2%。

此前，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出的原子頻率梳（AFC，Atomic frequency comb）是在稀土摻雜晶體中唯一實(shí)現(xiàn)了量子比特存儲(chǔ)的方案，而新的NLPE方案在摻銪硅酸釔晶體中的存儲(chǔ)信噪比相比AFC提高了4倍。NLPE方案具備高效率、高保真度及易于實(shí)現(xiàn)的特性，在量子優(yōu)盤的應(yīng)用中將具有顯著優(yōu)勢(shì)，這種超低噪聲的光子回波技術(shù)還有望在其他學(xué)科領(lǐng)域的信號(hào)提取等方面激發(fā)出新的應(yīng)用。

左圖：NLPE方案示意圖，信號(hào)光子被原子吸收，經(jīng)過(guò)兩對(duì)控制脈沖的操作后，讀取出回波。右圖：NLPE的時(shí)序圖（上），以及實(shí)測(cè)的單光子回波（下）。

審稿人高度評(píng)價(jià)該工作：“The results are original, both the proposal and the implementation and I found the paper very interesting.”（這些結(jié)果都是原創(chuàng)的，包括理論方案以及實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，我認(rèn)為它非常有趣）；“I think that this manuscript presents an important progress towards high-performance quantum memories with the development of an alternative solution.”（這個(gè)工作開(kāi)發(fā)出新型存儲(chǔ)方案，是通往高性能量子存儲(chǔ)器的一項(xiàng)重要進(jìn)展）；“The NLPE protocol is definitely more simple to implement in the lab than AFC, and it will make a better use of the finite absorption depth of the RE crystal.”（相比原子頻率梳方案，NLPE方案顯然更容易實(shí)現(xiàn)，并且它對(duì)稀土摻雜晶體有限的光吸收深度實(shí)現(xiàn)了更高效率的利用）。

論文共同第一作者為中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生馬有志、靳明以及中科大本科生陳鐸侖。該工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、安徽省以及中國(guó)科學(xué)院的資助。周宗權(quán)得到中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的資助。