中國科學院院士、中國科學技術大學教授郭光燦團隊在量子存儲及量子網絡研究中取得原創性進展。研究提出并實驗實現無噪聲光子回波，實測噪聲比前人的結果降低了670倍，首次觀察到單光子的光子回波并由此實現了高保真度的固態量子存儲。相關研究成果于7月19日發表在《自然·通訊》上。該工作從方案提出、理論分析到實驗實現均由該團隊完成，該方案被命名為“Noiseless photon echo”（無噪聲光子回波，簡稱NLPE）并已申請發明ZL，是我國具有自主知識產權的原創性量子存儲方案。
光子回波是原子與一系列電磁波脈沖相互作用時發出的相干輻射。該現象是歐文·哈恩（Erwin Hahn）于1950年在射頻波段發現的，歷史上稱之為自旋回波（spin echo）。自旋回波和光子回波的物理本質一致，即強電磁波脈沖使大量原子的演化位相發生重聚，從而使初始電磁波激發以回波形式發射出來。自旋回波就是射頻波段的光子回波。光子回波作為光與物質作用的一種基本物理過程，已在眾多學科領域取得應用，代表性應用有核磁共振成像（射頻波段）、電子順磁共振譜儀（微波段）以及二維電子光譜（光波段）等。這些應用表明光子回波是存儲和操縱光的有力工具，如果將其應用到量子領域，則有望實現任意波段的光量子存儲器，從而建立超導量子計算機的微波光子學界面，以及建立基于光波光子的大尺度量子網絡。
然而，強電磁波脈沖作用在原子系綜上，會給原子上能級帶來殘留布居數，導致自發輻射噪聲。已有的光子回波方案均存在本質缺陷，其光子回波發射的上能級與殘留布居的上能級是同一能級，因此光子回波的發射信號必然被自發輻射噪聲所污染。這從根本上阻止了光子回波應用到量子領域。此前最低噪聲的光子回波實驗是由法國國家科學中心團隊于2014年完成，其背景噪聲超過1個光子，無法滿足量子信息應用的需求。
中國科大科研人員基于四能級的原子系統提出了NLPE方案。該方案創造性地結合了不同頻的控制脈沖以及兩次重聚過程，使得發射光子回波的上能級與殘留布居的上能級是不同能級，所以可通過頻譜濾波嚴格消除自發輻射噪聲。科研人員還在摻銪硅酸釔晶體（量子優盤的工作介質）中實現了NLPE方案，實測的背景噪聲為0.0015光子，比前人光子回波實驗的噪聲降低了670倍。在單光子信號入射的條件，回波信噪比達42.5，光量子比特的存儲保真度達95.2%。NLPE方案具備高效率、高保真度及易于實現的特性，在量子優盤的應用中將有顯著優勢，該技術還有望在其他學科領域的信號提取等方面進一步應用。
研究工作得到科技部、國家自然科學基金委員會、安徽省以及中科院的資助。
左圖：NLPE方案示意圖，信號光子被原子吸收，經過兩對控制脈沖的操作后，讀取出回波。右圖：NLPE的時序圖（上），以及實測的單光子回波（下）。