光存储

在国家自然科学基金委、科技部及中科院的资助下，我校化学与材料科学学院光子学聚合物实验室与工程科学学院精密机械与精密仪器系光电信息技术实验室合作，利用偶氮苯聚合物的光响应性，实现了偏振多阶及高密度光信息存储。该项目使用超分子组装的方法制备出了具有良好的光学性能、稳定性、溶解性及可加工性的超分子双偶氮苯作为存储介质，并利用激光直写技术实现了相当于传统DVD存储密度20倍的四维信息存储。该论文发表在英国皇家化学会(RSC)的《J. Mater. Chem.》期刊上并被英国皇家化学会期刊Chemical Technology作为Highlight(热点评论)论文(5月26日)进行了以“Polymers give DVD upgrade”为题的专题报道， 并将在其电子期刊Chemical World 上进行新闻报道。　　 　　A 20-fold increase in information density than that of a conventional DVD was achieved using the azopolymer film　　偶氮苯聚合物作为光学各向异性材料及衍射元件等被广泛的应用于信息存储及光开关中。相比较于传统的偶氮苯染料掺杂聚合物体系而言，偶氮苯聚合物具有高浓度低聚集的优点。但其在实际应中用却受到较差的稳定性及光学性能的限制。双偶氮苯聚合物可以克服一些问题，但其本身却存在溶解性及可加工性差的缺陷。因此，如何制备出具有良好的光学性能、可加工性能和高稳定性的偶氮苯聚合物材料，并拓展其在信息存储中的应用成为研究热点。研究工作成功的解决了这些问题。　　在上述工作基础上，研究工作将进一步设计偶氮苯聚合物的多层次结构，并通过偏振多阶、多元、多维、多层等技术实现超高密度信息存储。

澳大利亚国立大学领导的研究小组研发出了世界上迄今效率最高的激光量子存储技术，使我们朝着研制出超快速的量子计算机和提升通信安全指数的方向又迈进了一步。相关论文发表在6月24日出版的《自然》杂志上。　　该校物理与工程研究院激光物理中心的科学家首次通过阻断和控制激光来操控晶体中的电子。这一系统史无前例的高效率和高精准度可使激光精妙的量子特性被存储、操控和忆起。　　研究主导者摩根贺吉斯说，新技术大大减少了激光穿越过程中光子的损失，使其从单光子水平的微弱相干态调整至500个光子水平的亮态，并能将存储效率提升至69%，而传统的量子存储效率一般为17%，最高不超过45%。　　由于量子力学固有的不确定性，激光在穿越晶体过程中会遗失部分的信息，并能将存储的信息以三维全息图的方式即刻呈现出来。处于量子相干态时，仅能输入30个或更少的光子。而新技术将打破量子不可克隆定理，即单量子或未知量子态不能被克隆的限制，使更多的输入信息可被寻回，而非遗失或损坏，在实际应用中可显著提升通信的安全指数。　　此外，研究人员表示，激光存储还可用于测试和诠释基础物理现象，例如奇异的量子纠缠现象与爱因斯坦相对论存在着怎样的关联。主要研究人员马修塞拉斯介绍说：“我们能够在两种晶体存储器间实现量子纠缠。根据量子力学，无论双方相距多远，它们都保有特别的关联性，读取一个存储器内的信息必将即刻改变另一个存储器中所储存的信息 而根据相对论，存储器的移动方式将影响经过它的时间的长短。使用性能良好的量子存储器将大大降低测量和解释这些基础物理效应的难度，使其变得‘平易近人’。”　　研究小组此前曾成功地将晶体中的光束阻断了1秒多的时间，为当时最好成绩的1000倍。将光束“冻住”的时间大大延长，意味着可能据此找到实用方法，以制造出光子计算机或量子计算机所需的存储设备。下一步研究团队还将再接再厉，在兼顾提升存储效率的同时，使储存时间延长至若干小时。

光纤中的光子损耗阻碍了量子信息在陆地上的长距离传输分布，由此，量子中继器被提出来解决这个问题。但是由于量子中继器的系统复杂性以及有限的通信距离，可行的解决方案包括可移动量子存储器和配备量子存储器的卫星，其中长寿命的光学量子存储器是实现全球量子通信的关键组件。图1. Eu3+:Y2SiO5 晶体的能图。2015年澳大利亚国立大学团队在一阶塞曼效应为零（ZEFOZ）的磁场下，观察到掺铕硅酸钇晶体（Eu3+:Y2SiO5）的核自旋相干寿命长达6小时。迄今为止，在87Rb原子和Pr3+：Y2SiO5晶体中实现的长光存储时间约为1分钟。近期，中国科学技术大学的郭光灿院士团队在光量子存储领域取得重要突破。该团队李传锋、周宗权研究组将相干光的存储时间提升至1小时，刷新了2013年德国团队光存储1分钟的纪录。该成果已发表在国际知名期刊《自然通讯》上[1]。图2：实验装置示意图，包含低温恒温器。中科大课题组结合理论预言次实验测定掺铕硅酸钇晶体在ZEFOZ磁场下的完整能结构。研究组结合了原子频率梳（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。为了在ZEFOZ领域实现光存储，了解基态和激发态的能结构是解决问题的先决条件。课题组使用连续波拉曼外差探测（RHD）获得了ZEFOZ中的基态共振信息。实验确定的能结构如图1a所示。实验装置示意图如图1b所示，样品被放在低温恒温器内（温度1.7K），磁场强度被设定为1.28特斯拉。样品放置于低温倾角台上，低温倾角台的倾角精度达到千分之二度。探测和泵浦光在进入低温恒温器之前通过单模光纤（SMF）和光纤准直器（FC）发出。图3. 回波强度与存储时间关系图。实验中光信号先被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，终被读取为光信号，总存储时间长达1小时（见图3）。通过加载相位编码，实验证实在经历了1个小时存储后，光的相位存储保真度高达96.4 ± 2.5%。结果表明该装置具有强的相干光存储能力以及用于量子态存储的潜力。 文章中，作者使用了德国attocube公司的attoDRY系列低温恒温器来实现样品在低温条件下的光量子存储。该课题组的工作为基于长寿命固态量子存储器的大规模量子通信带来了光明的前景。 图4：低振动无液氦磁体与恒温器—attoDRY系列，超低振动是提供高分辨率与长时间稳定光谱的关键因素。attoDRY2100+CFM I主要技术特点：+ 应用范围广泛: 量子光学，PL/EL/ Raman等光谱测量+ 变温范围：1.8K - 300K+ 空间分辨率： 1 mm+ 无液氦闭环恒温器+ 工作磁场范围：0...9T (12T, 9T-3T，9T-1T-1T矢量磁体可选)+ 低温消色差物镜NA=0.82+ 精细定位范围： 5mm X 5mm X 5mm @ 4K+ 精细扫描范围：30 mm X 30 mm@4K+ 可进行电学测量，配备标准chip carrier+ 可升到AFM/MFM、PFM、ct-AFM、KPFM、SHPM等功能 参考文献：[1]. Zongquan ZHOU et al, One-hour coherent optical storage in an atomic frequency comb memory , Nature Communications,12,2381 (2021)