表面等离激元在自然捕获的稀土离子中的量子存储

Quantum storage is a vital step in quantum communication. It has been one hot research area in quantum optics field. The randomly doped Rare-Earth Ions (REIs) in crystal has been extensively investigated as a quantum storage media due to its prominent optical properties. In this project we propose the experimental schemes for the quantum storage of Surface Plasmon Polaritons (SPPs) in naturally-trapped REIs for the purpose of experimentally demonstrating that SPPs pulses can be stored in a quantum system as well as optical pulses, and exploring the experimental conditions to optimize the storage performance. The researches focus on: (1) experimental demonstration of the quantum storage of SPPs in REIs via photon echo experiments, and the analysis of its physical mechanism; (2) quantification of the quantum storage efficiency and fidelity of the echo signal, and optimization of the storage performance by adjusting the experimental conditions; (3) The impact of boundary condition, coupling with the SPPs, and the temperature of the crystal on the storage time of the signal, and its quantification. The quantum storage of SPPs will pave the way for exploring the SPPs as a mean for quantum information processing, and building the quantum plasmonic devices, such as SPPs assisted single photon transistor and single photon router.

量子存储是量子通讯中的一个关键步骤，对量子存储的研究是量子光学领域的一个热点。掺杂在体晶中的稀土离子具有优良的光学性能，是被广泛研究的量子存储的媒质之一。本课题提出将表面等离激元脉冲存储于掺杂在晶体中的稀土离子的量子系统中的实验方案，旨在实验上验证表面等离激元脉冲可以像光脉冲一样进行量子存储，并探索使存储性能最优化的实验条件。研究内容包括：（1）采用光子回声的实验方案研究表面等离激元的量子存储的物理机理，并在实验上验证量子存储的可行性；（2）对量子存储效率和存储信号保真度给出量化表征，并研究使这些指标最优化的实验条件；（3）研究界面边界条件，与表面等离激元的耦合，以及晶体的温度等因素对表面等离激元的量子存储时间的制约作用，给出它们之间的定量依赖关系。这些研究将为利用表面等离激元进行量子信息传递，开发和研制基于表面等离激元的单光子晶体管、单光子路由器等光量子器件奠定基础。

快速高效地对量子比特操控是容错量子信息处理和量子计算的首要要求。在容错量子计算中，绝大多数量子比特被用来进行量子纠错，在纠错过程中这些辅助量子比特将被反复读出和初始化。在初始化过程中，量子比特的初始态是已知的。针对这些已知态，可以设计出更高效的光脉冲。在依靠频率分辨的量子比特系统中，量子比特可能由一个系综来表征，而且量子比特之间的频率比较接近，这就要求光脉冲不仅要对量子比特中可能存在的频率失谐具有鲁棒性，而且要对量子比特周围邻近离子的非共振激发足够小，以免干扰对量子比特的操控。除量子比特的初始化以外，量子计算另一个很重要的元素是逻辑门操作。对系综量子比特的逻辑门操作，同样要求光脉冲满足上述对鲁棒性和非共振激发的要求。我们采用量子绝热捷径和逆向求解方法，设计出了可对系综量子比特进行高保真度初始化操控的非绝热光脉冲。通过最优化脉冲中的多个自由度，可以实现对频率失谐的鲁棒性，同时满足非共振激发足够小的条件。我们在稀土离子量子比特系统中，对光脉冲进行了实验验证。结果表明，光脉冲对具有170kHz非均匀展宽的系综量子比特可以进行较好的操控，从初始态|1>创建|0>态或任意叠加态的保真度达到98%以上，超过了先前使用的复杂双曲正割脉冲的保真度（95%），而且作用时间更短，鲁棒性更好。另外，我们还基于几何量子计算方案，开发了具有良好鲁棒性的几何逻辑门脉冲。理论模拟表明该脉冲在±410kHz的频率失谐范围内的操控保真度达到99%以上，比同样带宽的方波脉冲和高斯脉冲具有更好的鲁棒性。我们开发的光脉冲可以应用于稀土离子量子比特、超导量子比特等依靠频率进行分辨的量子系统中。该光脉冲对稀土离子量子计算的发展起到了积极的推动作用，更重要的是，稀土离子量子计算方案是2018年启动的欧洲量子技术旗舰计划的一个组成部分。另一方面，该实验是量子绝热捷径技术在系综量子系统中的首次应用，因此本项研究成果也将推动量子绝热捷径技术的进一步开发和应用。