光存储在量子通信领域尤为重要。基于光量子存储构建量子中继可以克服信道损耗,从而实现大规模量子网络。远程量子通信的另一种解决方案是量子优盘,将光子存储在一个超长寿命的量子存储器中,然后直接运输量子优盘传输量子信息。考虑到飞机和高铁的速度,量子u盘的光存储时间需要达到小时量级。
但是德国团队在2013年创造的1分钟光存储世界纪录已经无法逾越。最终,2021年,中国科学技术大学将相干光存储时间提高到1小时,大大刷新了此前的世界纪录,向量子u盘的实现迈出了重要一步。这是人类量子存储领域的一个里程碑,而树立这个里程碑的人,就是坚持了30年中科大“虔诚冥想”的李传峰。
中国科学技术大学光学与光学工程系教授,国家杰出青年科学基金获得者,特聘教授,长江学者,中国物理学会量子光学专业委员会副主任李传峰。
李传峰,1973年2月出生,1990年进入中国科学技术大学物理系。大三的时候,他选择了当时国内最先进的量子光学,到郭光灿教授的实验室学习,直到博士毕业。
1999年获得博士学位后,李传峰留校任教。他是中国量子科学界为数不多的没有出国留学经历的科学家。现为中国科学院、中国科学技术大学量子信息重点实验室光学与光学工程系教授。
李传凤教授说,“我们要把宇宙的规律当作信仰,要像一个打坐念经的小和尚那样虔诚地做物理研究”。李传峰教授在中科大30年来不断拓展知识面,主要从事量子光学和量子信息的理论和实验研究。目前,他正致力于利用发达的量子信息技术,构建有特色的量子纠缠网络,探索量子物理。现有的实验平台包括参量光、量子点、固态量子存储和离子阱。
作为量子信息技术的前沿学者,李传峰教授的研究领域包括量子纠缠态的产生和应用、固态量子系统、量子网络和量子物理。多年来发表SCI论文290余篇,其中第一作者或通讯作者发表的自然类子期刊15篇,科学类子期刊4篇,物理评论信34篇,可谓著作。
十几年前,量子存储是量子信息技术中最难啃的骨头之一,但李传峰和他的团队坚持啃了下来。近十年来,固态量子存储的性能指标不断提高,以满足量子中继的技术要求,包括99.9%的存储保真度、100种模式和1小时的光存储寿命。
2012年,李传峰教授的研究团队利用两块1.4mm厚的掺钕钒酸钇晶体分别处理光的两种正交偏振态,同时在两块晶体之间放置一个专门设计的半波片,实现这两种偏振态的交换。整个量子存储器就像一个小“三明治”,小巧稳定,易于扩展和集成。他们在固态系统中实现了世界上最高保真度的量子存储器,保真度高达99.9%。获得我国量子存储研究一等奖,对进一步提高量子通信网络、分布式量子计算网络等组件的小型化和集成化具有重要意义。
2014年,在国家重大仪器的专项支持下,李传峰教授研究组在原有固态量子存储器的基础上,通过优化稀土掺杂晶体样品设计和泵浦技术,大幅提高了存储指标,存储带宽从100MHz提高到1GHz,存储效率从5%提高到20%。最终成功实现了高维纠缠态的量子存储。
2015年,李传峰教授研究组利用光的轨道角动量进行编码,首次研制出窄带高维纠缠光源。然后,纠缠源被存储在固态量子存储器中。结果表明,三维纠缠态的存储保真度达到99.1%。研究小组进一步分析了量子存储器的高维特性,结果表明该存储器可以有效存储高达51维的量子态。这一成果为固态量子存储器的集成化和大规模应用奠定了重要基础。
2021年4月,李传峰和周宗权研究团队将相干光存储时间提高到1小时,极大地刷新了德国2013年1分钟光存储的世界纪录,向量子u盘的实现迈出了重要一步。这项工作将光存储时间从几分钟提前到几小时,满足了量子u盘对光存储寿命指标的基本要求。接下来,通过优化存储效率和信噪比,有望实现量子u盘,可以实现基于经典交通工具的量子信息传输,建立全新的量子通道。
同年6月,李传峰教授研究组利用固态量子存储器和外纠缠光源,首次实现了两个吸收量子存储器之间的可预测量子纠缠,演示了多模量子中继。在量子基本链路演示实验中,实现了4种时间模式的复用,使纠缠分发率提高了4倍,实测纠缠保真度达到80.4%。该工作证实了基于吸收量子存储构建量子中继的可行性,并首次展示了量子中继中多模复用的加速。
李传峰教授和周宗权副教授正在研究量子存储器。
2022年,李传峰教授研究组基于自制激光直写波导实现了光子偏振态的集成固态量子存储,存储保真度高达99.4±0.6%。这项工作极大地推动了集成量子存储在量子网络中的应用。该工作将光子的偏振自由度应用于集成量子存储领域,为构建基于偏振编码的量子网络奠定了基础。同时,偏振自由度为集成器件的噪声抑制提供了有效的滤波自由度,对集成量子存储的实际应用具有重要意义。
从2012年到2022年,李传峰教授与量子存储器的十年,带领中国在量子信息存储领域取得了一次又一次的重大突破。量子存储器广泛应用于全球卫星量子通信、甚长基线干涉天文测量系统等领域。
除了量子存储,李传峰在量子基础研究和量子精密测量领域也取得了不少成果。
2011年,李传峰教授研究团队成功制备了八光子纠缠态,刷新了国际上多光子纠缠制备和操作次数的纪录,推动了量子纠缠的特性和分类等基础物理问题的研究。同年,与芬兰和德国的研究组合作,对开放体积子系统的环境进行了实验控制,观测到了开放系统演化从马尔可夫过程到非马尔可夫过程的突变,从而实现了对光子频率的控制。
2013年,李传峰教授的研究团队设计了一种量子实验装置,巧妙地利用光子的偏振位作为辅助,使测量装置处于量子叠加态,可以同时探测光子的挥发性和粒子性质,从而实现了量子惠勒延迟选择实验。
2018年,李教授的研究团队摒弃常规思维,重新设计了标准弱测量方案。将混合探针的制备与虚部弱值的测量相结合,在实验上成功地实现了海森堡极限精度,比以前用经典方法测得的最高精度提高了两个数量级。
回溯到1999年,李传峰还在中国科学技术大学的时候,中科院量子信息重点实验室还处于起步阶段。做实验研究,首先要搭建实验平台。李传峰带着几个学生看文献,尝试成立实验室。李传峰说,“我留校的时候,我的愿望是建一个世界一流的物理实验室”。从实验室成立开始,他就在心里种下了争取中国量子研究成为世界一流的种子。
在量子科学研究领域取得诸多开创性成果的同时,李传峰教授在十余年的教学工作中树立了榜样。他以谦虚和智慧培养了一大批量子科学领域的杰出人才,可谓世界上最大的成功。这些著名的科学家正在全国各地的高校、机构和企业进行科学研究,共同推动量子科学产业的发展。
李传峰教授、郭光灿院士、徐进士教授、刘副教授、黄云峰研究员合影。
徐进士,李传峰教授第一弟子,现任中国科学技术大学教授、博士生导师。主要从事基于光和固态自旋系统的量子信息和量子物理的实验研究。说起“师父”,徐进士满是感激。“李老师对科学前沿很有眼光,对实验室建设很有眼光,以鼓励学生为主,很少批评学生,不断点燃大家热爱科学的火焰。”徐进说,在和学生讨论的时候,李老师让大家充分发挥,他总能找出闪光点,让学生充满兴趣,遇到困难也总能找到他讨论,他总能出主意。
就连李传峰的导师郭光灿先生也表示,“李传峰对学生非常敬业,不仅是他自己的研究生,实验室里几个发展很好的年轻教授,在起步阶段都得到了他的帮助。不仅如此,李传凤淡泊名利,指导学生出成绩,签论文时总是把自己放在后面。”
但李传峰认为“最重要的是找到适合自己的东西”。他对学生的要求很简单,就是“喜欢物理”。
因为李传峰的出色工作,他多次获得全国各地的表扬和奖励。李传锋在2012年获得王大珩光学奖后,因主持基金面上项目“固态量子存储基础问题的实验研究”,于2013年获得HKUST海外校友基金青年科学家杰出成就奖。仅2013年,李传锋还获得了中国科学技术大学杰出科研校长奖、中国青年科技奖、国家杰出青年科学基金四项大奖。
2014年,李传锋被聘为教育部长江学者特聘教授,并被评为年度创新人才推进计划中青年科技创新带头人。他在量子光学和量子信息领域的成就,让他以双双排名第一的傲人成绩,获得了2014年安徽省自然科学一等奖和2014年教育部自然科学一等奖。2021年,李传峰的项目《基于量子信息技术的量子物理基础问题研究》获得国家自然科学奖二等奖,国家最高科学技术奖是我国科学技术领域的最高奖。
虽然作品多次获奖,但李传峰依然保持着自己的勤奋和谦虚,继续在量子信息技术的前沿领域做研究。
参考资料:
李传峰:“玩过”的青年物理学家,科学网,2013-12-23。
李传峰:做研究如打坐般虔诚,中国科学技术大学历史文化网,2014-01-08。