光纖中的光子損耗阻礙了量子信息在陸地上的長距離傳輸分布，由此，量子中繼器被提出來解決這個問題。但是由于量子中繼器的系統復雜性以及有限的通信距離，可行的解決方案包括可移動量子存儲器和配備量子存儲器的衛星，其中長壽命的光學量子存儲器是實現國際量子通信的關鍵組件。

圖1. Eu³⁺:Y₂SiO₅ 晶體的能級圖。

2015年澳大利亞國立大學團隊在一階塞曼效應為零（ZEFOZ）的磁場下，觀察到摻銪硅酸釔晶體（Eu³⁺:Y₂SiO₅）的核自旋相干壽命長達6小時。迄今為止，在87Rb原子和Pr³⁺：Y₂SiO₅晶體中實現的長光存儲時間約為1分鐘。近期，ZG科學技術大學的郭光燦院士團隊在光量子存儲領域取得重要突破。該團隊李傳鋒、周宗權研究組將相干光的存儲時間提升至1小時，刷新了2013年德國團隊光存儲1分鐘的紀錄。該成果已發表在國際知名期刊《自然·通訊》上^[1]。

圖2：實驗裝置示意圖，包含低溫恒溫器。

中科大課題組結合理論預言S次實驗測定摻銪硅酸釔晶體在ZEFOZ磁場下的完整能級結構。研究組結合了原子頻率梳（AFC）量子存儲方案以及ZEFOZ技術，成功實現了光信號的長壽命存儲。為了在ZEFOZ領域實現光存儲，了解基態和激發態的能級結構是解決問題的先決條件。課題組使用連續波拉曼外差探測（RHD）獲得了ZEFOZ中的基態共振信息。實驗確定的能級結構如圖1a所示。實驗裝置示意圖如圖1b所示，樣品被放在低溫恒溫器內（溫度1.7K），磁場強度被設定為1.28特斯拉。樣品放置于低溫傾角臺上，低溫傾角臺的傾角精度達到千分之二度。探測和泵浦光在進入低溫恒溫器之前通過單模光纖（SMF）和光纖準直器（FC）發出。

圖3. 回波強度與存儲時間關系圖。

實驗中光信號首先被AFC吸收成為銪離子系綜的光學激發，接著被轉移為自旋激發，經歷一系列自旋保護脈沖操作后，ZZ被讀取為光信號，總存儲時間長達1小時（見圖3）。通過加載相位編碼，實驗證實在經歷了1個小時存儲后，光的相位存儲保真度高達96.4 ± 2.5%。結果表明該裝置具有極強的相干光存儲能力以及用于量子態存儲的潛力。

文章中，作者使用了德國attocube公司的attoDRY系列低溫恒溫器來實現樣品在極低溫條件下的光量子存儲。該課題組的工作為基于長壽命固態量子存儲器的大規模量子通信帶來了光明的前景。

圖4：低振動無液氦磁體與恒溫器—attoDRY系列，超低振動是提供高分辨率與長時間穩定光譜的關鍵因素。

attoDRY2100+CFM I主要技術特點：

+ 應用范圍廣泛:  量子光學，PL/EL/ Raman等光譜測量

+ 變溫范圍：1.8K - 300K

+ 空間分辨率：< 1 mm

+ 無液氦閉環恒溫器

+ 工作磁場范圍：0...9T (12T, 9T-3T，9T-1T-1T矢量磁體可選)

+ 低溫消色差物鏡NA=0.82

+ 精細定位范圍： 5mm X 5mm X 5mm @ 4K

+ 精細掃描范圍：30 mm X 30 mm@4K

+ 可進行電學測量，配備標準chip carrier

+ 可升級到AFM/MFM、PFM、ct-AFM、KPFM、SHPM等功能

參考文獻：

[1]. Zongquan ZHOU et al, One-hour coherent optical storage in an atomic frequency comb memory , Nature Communications,12,2381 (2021)