原子系综拉曼量子存储的优化和空时模式操控研究

With the development of quantum science and technology, quantum technology is gradually developing towards application. As one of the core quantum technologies, quantum storage has important application prospects in quantum computing, quantum communication, quantum metrology. Among quantum storage schemes, Raman storage is known for its high bandwidth and multi-mode response. The inherent advantages of multi-mode reusability make it a potential quantum storage technology. However, its development and application are still constrained by the system performance, including efficiency, noise and multi-mode application technology, which become obstacles to further development. Therefore, further optimizing the Raman storage efficiency, suppressing the system noise and promoting the coherent multi-mode application of quantum storage technology are the urgent problems to be solved in the future development of quantum information technology. In view of this situation, this project includes: 1. Using coherent optical phase control to further improve storage efficiency; 2. Using nonlinear quantum interference technology to suppress four-wave mixing noise; 3. Using spatial-temporal mode interference technology to achieve multi-spatial mode and multi-temporal mode storage applications. This project will further promote the development of Raman storage technology, provide new ideas and methods for the optimization of quantum storage technology, and open up opportunities for new types of applications in quantum technology.

随着量子科学与技术的发展，量子技术逐步向应用发展。作为核心量子技术之一，量子存储在量子计算、量子通信、量子精密测量等领域有着重要的应用前景。目前众多量子存储方案中，拉曼存储以其高带宽，多模响应等特性著称，在多模复用性上具有先天优势，是一种极具开发潜力的量子存储技术。但其发展和应用仍受系统性能，包括效率、噪声和多模应用技术等现实瓶颈的制约，成为目前该方向发展的障碍。因此，进一步优化拉曼存储效率，解决系统噪声问题，推动量子存储技术的相干多模应用是未来量子信息技术发展亟待解决的问题。针对这一现状，本项目拟开展包括：1. 利用相干光学相位调控进一步提高存储效率；2. 利用非线性量子干涉技术抑制四波混频噪声；3. 利用空时模式干涉技术实现多空间模式和时间模式的相干操控和存储。本项目预期成果将进一步推动拉曼存储技术发展，为量子存储的优化提供新思路和新方法，开拓量子技术开发与应用的新边疆。

量子存储技术作为核心量子技术之一，在量子计算、量子通信、量子精密测量等领域有着重要的应用前景，其性能指标的提升对相关领域有着积极促进作用。目前众多量子存储方案中，拉曼存储以其高带宽，多模响应等特性著称，是一种极具开发潜力的量子存储技术。但其发展和应用受系统性能，包括效率、噪声和多模应用技术等现实瓶颈的制约，成为目前该方向发展的障碍。本项目利用相干光学相位调控技术将存储效率提高至87%，单光子水平下保真度达到99%。并将磁场控制技术作用于原子系统，降低了光-原子量子耦合时的噪声。同时，深入研究量子干涉的本质机理，并实现量子干涉与拉曼系统的结合，在电场测量、陀螺仪和遥感探测等方面实现技术突破和创新，开拓拉曼系统中多模量子干涉在角速度测量方面的新应用。本项目相关成果发表了6篇高质量论文，另有一篇论文已被接收，申请项目相关发明专利4件，其中授权2项，圆满完成项目预期指标。此外，项目资助下，还进一步将现有技术拓展，开发了一系列产学研应用，获教育部产学研合作项目与航天控制技术研究所横向项目合作支持。值得注意的是，项目执行期间，项目负责人郭进先作为第五完成人获得了2020年上海市自然科学奖一等奖。项目的圆满完成进一步推动拉曼存储技术发展，为量子存储的优化提供新思路和新方法，开拓量子技术开发与应用的新边疆。