硅基自旋量子比特操控优化的新方法

郭光灿院士团队在硅基自旋量子比特操控研究中取得重要进展。该团队对集成微磁体的硅基量子点进行研究，发现了自旋量子比特操控的各向异性：通过改变外加磁场与硅片晶向的相对方向，可以将自旋量子比特的操控速率、退相干速率和可寻址性进行同时优化。该研究成果发表在《Physical Review Applied》上。

硅基自旋量子比特以其超长的量子退相干时间，以及与现代半导体工艺技术兼容的高可扩展性，成为量子计算研究的核心方向之一。

研究人员发现，当施加的面内磁场到达某一特定角度时，操控速率可以保持较高的水平而电荷噪声引起的退相干被大大抑制，而量子比特的寻址特性又被维持在一个较高的水平。这一特点说明通过旋转磁场方向，硅基自旋量子比特的操控速率、退相干时间和可寻址性得到同时优化。研究人员同时发现，在旋转磁场的过程中，面内横向磁场梯度起到了不可忽视的作用，这也暗示了旋转磁场方向对研究含有微磁体的自旋轨道耦合——合成自旋轨道耦合的丰富物理内涵具有重要意义。

该工作得到了审稿人的高度评价：“能够理解并且预测微磁体器件的最优工作点是非常有用的，这些结果对这个领域来说是非常有价值的贡献”。

图. 利用磁场的各向异性优化硅基半导体自旋量子比特操控示意图。

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http://news.ustc.edu.cn/info/1055/74912.htm

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https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.15.044042

在光力体系中通过耗散调控增强边带冷却

郭光灿院士团队在光力混合系统中通过级联光子-声子耦合实现了对于光力相互作用的耗散调控，并增强了光力体系的冷却效果，该研究成果发表在《Physical Review Letters》。

利用腔增强的光与物质的相干相互作用可以得到许多新颖的光子器件。混合系统兼具不同体系的优势，因此在量子界面、基础物理、非线性光学等领域发挥着越来越重要的作用。在混合系统中，如何有效地控制相干耦合，包括增强或抑制某些特定的物理过程，仍然是一个挑战。

针对腔光力混合系统，研究组利用耗散调控实现了对于光子-声子相干相互作用这一物理过程的有效控制，从而增强了激光冷却机械振子的效果。实验中首先通过布里渊散射过程将辅助高频声子与目标光学模式耦合，实现对光学模式线宽的有效调节，调节范围超过一个数量级。实验结果不仅展示了光力系统中的级联非线性耦合，还验证了混合系统中控制光与物质相干相互作用的新方法。同时，该方案可以拓展至其它光学非线性效应，比如控制非线性倍频过程或抑制拉曼激光。

图注：a-b.腔光力系统中级联光子-声子耦合与耗散调控；c-d.光学模式有效线宽调控结果。

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https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.163604

中国科大将光存储时间提升至1小时

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，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。该成果4月22日发表在国际知名期刊《自然·通讯》上。

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。另一种远程量子通信的解决方案是量子U盘，即把光子存储到超长寿命量子存储器（量子U盘）中，然后通过直接运输量子U盘来传输量子信息。考虑到飞机和高铁等的速度，量子U盘的光存储时间需要达到小时量级。

李传锋、周宗权研究组长期致力于基于稀土离子掺杂晶体的固态量子存储实验研究。近期课题组结合理论预言首次实验测定掺铕硅酸钇晶体在ZEFOZ磁场下的完整能级结构。在此基础上，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。实验中光信号首先被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。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%。这些结果表明该装置具有极强的相干光存储能力以及用于量子态存储的潜力。

该工作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。接下来通过优化存储效率及信噪比，有望实现量子U盘，从而可以基于经典运输工具实现量子信息的传输，建立一种全新的量子信道。近期的理论研究表明，量子U盘在全球卫星量子通信、甚长基线干涉天文测量系统等领域均具有广泛应用。

该工作得到审稿人的高度评价：“该成果是一个巨大的成就（a huge achievement）。”

存储方案示意图，信号光场（probe）被梳状的原子吸收谱吸收，并被控制光场（control）存储为自旋激发，在射频（RF）场的操控下延长存储时间，最终读取为光信号。

读出光脉冲信号强度与存储时间的关系

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https://doi.org/10.1364/OPTICA.413114

非互易领域新方向实现50dB的无噪声全光隔离

郭光灿院士团队在原子系综中实现了51.5dB的非互易隔离，是目前无磁非互易领域中的最高隔离比，并且首次探讨了非互易器件中量子噪声问题，证明了该新的全光非互易效应不会引入额外的量子噪声。该成果发表在《自然•通讯》上。

该研究组利用圆偏泵浦光将气室中的原子极化到一个特定的磁自旋态上，对不同偏振的光产生不同的吸收和色散，实现了约30dB的隔离比。在此基础上，研究组加入了一个行波腔，大幅增强了光与原子之间的相互作用，最终将隔离比提高到了51.5dB，成功地制备出了基于原子系综的非互易介质。这套系统有较好的鲁棒性，对于外界弱磁场的干扰、泵浦光频率和功率的浮动等均不敏感，具有实际应用的价值。

此外，该研究组首次在非互易领域中提出并回答了非互易器件本身是否会产生噪声光子的问题。他们通过测量相干光和伪热光通过该系统前后的二阶相干函数的改变，证明该系统并不会产生额外的量子噪声。该成果在非互易领域开辟出了一个新的方向，并在实际应用中具有重要意义。

实验装置图以及非互易效果图

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https://www.nature.com/articles/s41467-021-22597-z

内容来源：中国科学技术大学