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上海光机所知识创新工程试点工作简报

（第一○六期）

2003年11月13日

上海光机所在光速减慢和量子信息存储
研究中取得重大进展

   上海光机所量子光学重点实验室承担的国家“973”项目子课题“冷原子和原子介质中量子信息存储”和科学院项目“相干原子钟”的研究工作获得重大进展。在王育竹院士主持下，经过项目组科技人员一年多时间的共同努力, 首次在我国实现了量子信息存储，存储时间长达100微秒。
   光子是信息最快、最巨大的载体，但是，长期以来人们难以把它存储于介质中，2001年哈佛大学的Lukin小组第一次在铷原子蒸气中获得了群速减慢至零，并实现光信息存储。光速减慢和光量子信息存储的研究是目前国际前沿的热点课题，据公开报道实现光量子信息存储的实验室只有4个小组。这个研究方向在光通信和光量子信息处理领域具有潜在的科学价值和应用价值。
   我所量子光学重点实验室"973"量子信息小组建立了电磁感应透明和量子信息存储的实验装置，解决了诸多技术关键，在充有缓冲惰性气体的铷原子蒸气中，研究了电磁感应透明效应与各种物理参数的关系，观察到了光的群速减慢和光信号脉冲的存储现象。目前，在信号噪声比优于10的条件下，光的群速减慢到1.85×103 M/S，比真空光速减小了1.62×105倍。在此基础上进一步将群速减慢至零，从而实现了光信息脉冲的存储，存储时间达到100微秒。 2003年10月, 该课题在“973”量子信息项目阶段指标检查会上作了汇报, 确认了上海光机所在我国第一次实现了量子信息存储。提前完成了“973”和科学院项目的阶段性指标。
   原子在相干光场的作用下，形成相干叠加态，处于这种状态下的原子具有多种量子性质：如粒子数囚禁、光速减慢、介质电磁感应透明和量子信息存储等。三能级系统的双光子过程可使介质产生电磁感应透明(EIT),并使光的群速减慢和存储量子信息。光脉冲信号在介质中传播时的群速决定于介质的折射率，光的群速与折射率随频率变化的斜率成反比，折射率的变化越大，光的群速就越慢。在EIT条件下折射率随频率的变化远远大于1，所以光的群速就远远小于光速。当群速减慢到零时，光脉冲完全停留在介质内，并转化为原子的自旋波储存于原子介质中。自旋波存储的时间决定于原子基态的相干时间，而原子的相干时间又决定于原子的碰撞弛予、光束尺寸和各种因素对相干态的消相干效应。当用耦合光激发原子介质时，存储的光脉冲被重新释放出来。从而完成了量子信息存储和释放的过程，即“写”和“读”的量子信息过程。
   目前，该项目组的研究人员将在现有基础上开展量子信息存储中的消相干效应研究、EIT在精密测量技术中的应用研究和量子远距离隐型传态研究,努力促使研究成果在光科学和技术中得到重要应用。（量子光学重点实验室供稿）

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