中國(guó)科大首次實(shí)現(xiàn)確定性單光子的多模式固態(tài)量子存儲(chǔ)

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、中國(guó)科學(xué)院院士郭光燦領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在量子中繼、量子網(wǎng)絡(luò)的研究中取得新進(jìn)展:該實(shí)驗(yàn)室李傳鋒研究組成功實(shí)現(xiàn)了量子點(diǎn)發(fā)射的確定性單光子的多模式固態(tài)量子存儲(chǔ)。該成果在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)與固態(tài)量子存儲(chǔ)器兩種不同固態(tài)系統(tǒng)之間的對(duì)接，并且實(shí)現(xiàn)了100個(gè)時(shí)間模式的多模式量子存儲(chǔ)，模式數(shù)創(chuàng)造世界最高水平，為量子中繼和全固態(tài)量子網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。研究成果發(fā)表在近期的《自然·通訊》上。

糾纏分發(fā)是構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)。由于信道中不可避免的傳輸損耗，目前在信道中直接進(jìn)行糾纏分發(fā)只能達(dá)到百公里量級(jí)，要想實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)程的糾纏分發(fā)則需要基于單光子量子存儲(chǔ)和兩光子Bell基測(cè)量的量子中繼技術(shù)。目前已經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的量子存儲(chǔ)或量子中繼方案都是基于概率性光源(光子產(chǎn)生幾率一般低于1%且存在多光子項(xiàng))的存儲(chǔ)，這類(lèi)方案的長(zhǎng)程糾纏分發(fā)時(shí)間預(yù)計(jì)將在分鐘量級(jí)以上。

李傳鋒研究組利用自組織量子點(diǎn)產(chǎn)生確定性單光子源(原則上光子產(chǎn)生幾率100%且每次有且僅有單個(gè)光子)，然后通過(guò)光纖傳輸?shù)? m外的另一張光學(xué)平臺(tái)上的固態(tài)量子存儲(chǔ)器中。他們一方面利用局部光學(xué)加熱方法調(diào)節(jié)單光子的波長(zhǎng)與固態(tài)量子存儲(chǔ)器的操作波長(zhǎng)相匹配，另一方面利用光學(xué)頻率梳技術(shù)把單光子存儲(chǔ)到研究組自主研發(fā)的“三明治”型固態(tài)量子存儲(chǔ)器中，并測(cè)得單光子偏振態(tài)的存儲(chǔ)保真度為91.3%。研究組進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)確定性單光子的100個(gè)時(shí)間模式的多模式量子存儲(chǔ)，模式數(shù)創(chuàng)造了世界最高水平。

該項(xiàng)成果實(shí)驗(yàn)演示了加速糾纏分發(fā)的兩個(gè)最重要的要素，即確定性量子光源和多模式量子存儲(chǔ)。前者可以指數(shù)加速糾纏分發(fā)，后者則可以線性加速，兩者結(jié)合在一起預(yù)計(jì)可以使長(zhǎng)程糾纏分發(fā)的時(shí)間縮短到毫秒量級(jí)。該成果還首次實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)固態(tài)量子節(jié)點(diǎn)，即量子點(diǎn)和固態(tài)量子存儲(chǔ)器的對(duì)接，向?qū)崿F(xiàn)全固態(tài)量子網(wǎng)絡(luò)邁出了重要的一路;之后，在此電路上進(jìn)一步覆蓋PDMS溶液并加以固化;如需要，在PDMS尚處液態(tài)時(shí)，可在其上浸沒(méi)入任意形狀的待貼附目標(biāo)物體;最后，對(duì)整個(gè)對(duì)象加以降溫，以使液態(tài)金屬轉(zhuǎn)為固體，由此即可輕易地將最初的液態(tài)金屬電路完整快捷地轉(zhuǎn)印到PDMS柔性基底上。這一過(guò)程中，當(dāng) PDMS固化后，揭下 PVC膜及目標(biāo)物體后，即形成內(nèi)嵌有液態(tài)金屬柔性電路的PDMS器件，此時(shí)在相應(yīng)管腳貼上相應(yīng)IC元件并加以編程調(diào)試，即制成功能電子器件。由于PDMS基底形狀可完全與使用對(duì)象貼合，由此即達(dá)到電子器件的高度適形化制造。該技術(shù)在醫(yī)療健康、家居、環(huán)境等應(yīng)用場(chǎng)合的傳感監(jiān)測(cè)方面有重要意義，相應(yīng)器件易于貼合到諸如膝蓋、腳腕、手掌、面頰、頭部、耳廓以及更多復(fù)雜形狀表面執(zhí)行特定功能。研究還通過(guò)對(duì)“PVC-液態(tài)金屬-PDMS”界面微觀結(jié)構(gòu)的刻畫(huà)、受力測(cè)試與仿真驗(yàn)證，揭示了相應(yīng)的轉(zhuǎn)印分離機(jī)理。

為展示新技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)，作者們還特別設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了幾類(lèi)完整的可編程柔性電路，并證實(shí)其在彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉伸等往復(fù)形變下均能保持高性能和可靠性。進(jìn)一步地，結(jié)合手機(jī)生理檢測(cè)平臺(tái)與集成電路芯片，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了微型柔性紅外溫度采集模塊，可通過(guò)藍(lán)牙將采集到的信號(hào)以無(wú)線方式發(fā)送至手機(jī)予以實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)，而同時(shí)這些器件則可以適形化方式貼合于身體表面。

相較于傳統(tǒng)的硬質(zhì)電路，柔性電子具有重量輕、韌性好以及可承受一定形變等優(yōu)勢(shì)，這使其應(yīng)用范圍更為寬廣。基于相變轉(zhuǎn)印原理的液態(tài)金屬柔性電路加工方法突破了傳統(tǒng)工藝的局限性，更加簡(jiǎn)便、快捷、穩(wěn)定，并與現(xiàn)有集成電路技術(shù)較為兼容。除了能以高質(zhì)量快速加工出用以滿足可穿戴設(shè)備、皮膚電子、醫(yī)學(xué)植入、柔性顯示、太陽(yáng)能電池板等諸多前沿需求外，新方法的重要意義還在于，隨著液態(tài)金屬打印技術(shù)的普及，人們將有望隨心所欲地在任意物體表面實(shí)現(xiàn)各類(lèi)柔性功能器件的定制化快速開(kāi)發(fā)，這會(huì)顯著擴(kuò)展傳統(tǒng)電子工程學(xué)的技術(shù)范疇，繼而推動(dòng)個(gè)性化柔性電子應(yīng)用向前快速發(fā)展。