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“虔誠打坐”三十年,李傳鋒潛心譜寫量子存儲領域新篇章

作者:光子盒
“虔誠打坐”三十年,李傳鋒潛心譜寫量子存儲領域新篇章

光的存儲在量子通信領域尤其重要,基于光量子存儲建構量子中繼可以克服信道損耗,進而實作大規模量子網絡。另一種遠端量子通信的解決方案是量子U盤,即把光子存儲到超長壽命量子存儲器(量子U盤)中,然後通過直接運輸量子U盤來傳輸量子資訊。考慮到飛機和高鐵等的速度,量子U盤的光存儲時間需要達到小時量級。

然而,2013年德國團隊所創造的光存儲1分鐘的世界紀錄一直無法逾越。終于在2021年,中國科學技術大學将相幹光的存儲時間提升至1小時,大幅度重新整理了此前的世界紀錄,向實作量子U盤邁出重要一步。這是人類量子儲存領域的一個裡程碑,而立下這塊裡程碑的人正是在堅守中科大“虔誠打坐”三十年的李傳鋒。

“虔誠打坐”三十年,李傳鋒潛心譜寫量子存儲領域新篇章

中國科學技術大學光學與光學工程系教授、國家傑出青年科學基金獲得者、長江學者特聘教授、中國實體學會量子光學專業委員會副主任——李傳鋒(圖檔來源:中國科學技術大學官網)

“虔誠打坐”三十年,李傳鋒潛心譜寫量子存儲領域新篇章

1973年2月,李傳鋒出生于山東省,1990年進入中國科學技術大學實體系學習,大三确定專業方向時選擇了當時國内最前沿的量子光學,進入郭光燦教授的實驗室學習,直到博士畢業。

1999年獲得博士學位後,李傳鋒留校任教,是中國量子科學界為數不多沒有留學經曆的科學家。現在他是中國科學技術大學中科院量子資訊重點實驗室、光學與光學工程系教授。

李傳鋒教授表示“要把宇宙規律當作信仰,做實體研究要像小和尚打坐念經一樣虔誠”。李傳鋒教授在中科大的三十年裡不斷拓展知識的疆域,主要從事量子光學與量子資訊的理論與實驗研究,目前緻力于搭建富有特色的量子糾纏網絡并利用所發展的量子資訊技術探索量子實體,已有實驗平台包括:參量光、量子點、固态量子存儲和離子阱等。

作為量子資訊科技的前沿學者,李傳鋒教授的研究領域包含量子糾纏态的産生與應用、固态量子系統和量子網絡與量子實體等。多年來發表SCI論文290餘篇,其中以第一或通訊作者發表Nature子刊15篇,Science子刊4篇,Physical Review Letters 34篇,可謂著作等身。

“虔誠打坐”三十年,李傳鋒潛心譜寫量子存儲領域新篇章

十幾年前,量子存儲是量子資訊科技中最硬的骨頭之一,李傳鋒和他的團隊卻堅持啃了下來。近十年不斷提升固态量子存儲的性能名額以滿足量子中繼的技術需求,包括使存儲保真度達99.9%、模式數達100個、光存儲壽命達1小時等。

2012年,李傳鋒教授研究組利用兩塊1.4毫米厚的摻钕釩酸钇晶體(一種性能優良的雷射晶體),分别處理光的兩種正交偏振态,同時把一片特殊設計的半波片置于兩塊晶體之間,來實作這兩種偏振态的互換。整個量子存儲器就像一片很小的“三明治”,緊湊而穩定,便于擴充和內建。他們在固态系統中實作了世界上最高保真度的量子存儲器,保真度高達99.9%。為大陸的量子存儲研究拿下了頭彩,對進一步提高量子通信網絡、分布式量子計算網絡等元件的小型化和內建化具有重要意義。

2014年,在國家重大儀器專項支援下,李傳鋒教授研究組在原先的固态量子存儲器的基礎上,通過優化稀土摻雜晶體樣品設計及泵浦技術等極大地提升了存儲器名額,存儲帶寬由100MHz提升至1GHz,同時存儲效率由5%提升至20%,最終順利實作了高維糾纏态的量子存儲。

2015年,李傳鋒教授研究組利用光的軌道角動量進行編碼,首次研制出窄帶高維糾纏光源,然後将此糾纏源存入固态量子存儲器中,結果顯示三維糾纏态的存儲保真度達到99.1%。研究組進一步分析該量子存儲的高維特性,結果表明該存儲器可對高達51維的量子态進行有效存儲。該成果為固态量子存儲器的內建化、規模化應用打下重要基礎。

2021年4月,李傳鋒、周宗權研究組将相幹光的存儲時間提升至1小時,大幅度重新整理了2013年德國團隊光存儲1分鐘的世界紀錄,向實作量子U盤邁出重要一步。該工作将光存儲時間從分鐘量級推進至小時量級,滿足了量子U盤對光存儲壽命名額的基本需求。接下來通過優化存儲效率及信噪比,有望實作量子U盤,進而可以基于經典運輸工具實作量子資訊的傳輸,建立一種全新的量子信道。

同年6月,李傳鋒教授研究組利用固态量子存儲器和外置糾纏光源,首次實作兩個吸收型量子存儲器之間的可預報量子糾纏,示範了多模式量子中繼。量子中繼基本鍊路的示範實驗中實作了4個時間模式的複用,使得糾纏分發的速率提升了4倍,實測的糾纏保真度達到了80.4%。該工作證明了基于吸收型量子存儲建構量子中繼的可行性,并首次展現了多模式複用在量子中繼中的加速作用。

“虔誠打坐”三十年,李傳鋒潛心譜寫量子存儲領域新篇章

李傳鋒教授(左一)和周宗權副教授(右一)在檢視量子存儲器(圖檔來源:中國科學技術大學官網)

2022年,李傳鋒教授研究組基于自主加工的雷射直寫波導,實作了光子偏振态的可內建固态量子存儲,存儲保真度高達99.4±0.6%,該工作顯著推進了可內建量子存儲器在量子網絡中的應用。這一工作把光子的偏振自由度應用到可內建量子存儲領域,為基于偏振編碼建構量子網絡奠定了基礎。同時偏振自由度為可內建器件的噪聲抑制提供了一個有效的濾波自由度,對于可內建量子存儲的實用化具有重要的意義。

從2012年到2022年,李傳鋒教授和量子存儲器相伴的十年裡,引領了大陸在量子資訊存儲領域一次又一次的偉大突破。量子存儲器在全球衛星量子通信、甚長基線幹涉天文測量系統等領域均具有廣泛應用。

除了量子存儲外,李傳鋒還在量子基礎研究領域和量子精密測量領域種下了累累碩果。

2011年,李傳鋒教授研究組成功制備出八光子糾纏态,重新整理了世界上多光子糾纏的制備和操作數目記錄,推動了量子糾纏的特性與分類等基本實體問題的研究。同年,與芬蘭和德國的研究組合作,在實驗上實作了對開放量子系統環境的調控,觀察到了開放系統演化的馬爾科夫過程到非馬爾科夫過程的突變現象,進而實作了對光子頻率的調控。

2013年李傳鋒教授研究組設計出了一種量子實驗裝置,巧妙地利用光子的偏振比特作為輔助,使測量裝置處于量子疊加态,能同時探測光子的波動性與粒子性,進而實作了量子的惠勒延遲選擇實驗。

2018年李教授研究組摒棄正常思路,對标準弱測量方案進行重新設計。把制備混态探針和測量虛部弱值技術相結合,實驗上成功地達到了海森堡極限精度,比此前經典方法測量的最高精度提高了兩個量級。

時針撥回到1999年,李傳鋒留任中國科學技術大學時,中科大中科院量子資訊重點實驗室正處于起步階段,而做實驗研究,首先要搭建實驗平台,李李傳鋒帶着幾個學生邊看文獻、邊嘗試搭建實驗室。李傳鋒表示“我留校時的願望,就要搭建世界上一流的實體實驗室”。從搭建實驗室開始,他的心裡就埋下了為大陸量子研究跻身世界一流而奮鬥的種子。

“虔誠打坐”三十年,李傳鋒潛心譜寫量子存儲領域新篇章

在量子科研領域取得衆多開創性進展的同時,李傳鋒教授還在十多年的教學工作中,以身作則,用他的謙虛與睿智為量子科學領域培育了大批傑出人才,可謂桃李滿天下。這些著名的科學家正在全國各地的院校、機構和企業内展開科研,共同推動了量子科學行業發展。

“虔誠打坐”三十年,李傳鋒潛心譜寫量子存儲領域新篇章

李傳鋒教授(左二)、郭光燦院士(左三)、許金時教授(右一)、柳必恒副教授(左一)、黃運鋒研究員(右二)合影(圖檔來源:中國科學技術大學官網)

李傳鋒教授的首位弟子許金時,現任中國科學技術大學教授、博士生導師,主要從事基于光與固态自旋系統的量子資訊和量子實體的實驗研究,談起“師傅”時,許金時充滿感激。“李老師對科學前沿看得很準,對實驗室建設有遠見,對學生以激勵為主,很少批評學生,不斷點燃大家對科學愛的火焰。”許金時說,在與學生讨論時,李老師讓大家盡情發揮,他總能從中找出亮點,使學生興趣盎然,遇到困難,随時找他讨論,他總能給出思路。

就連李傳鋒的恩師郭光燦先生都說“李傳鋒對學生很用心,不僅是他自己的研究所學生,實驗室幾個發展很好的年輕教授,起步階段都得到過他的幫助。不僅如此,李傳鋒還淡泊名利,指導學生作出成果,論文署名時總把自己排在後面。”

但李傳鋒認為,“最重要的是找到适合自己的事”,他對學生的要求很簡單,就是“喜歡實體”。

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由于李傳鋒的傑出工作,他也屢屢獲得了來自全國的贊譽和獎項。繼2012年獲得王大珩光學獎後,李傳鋒于2013年憑借主持基金委面上項目《固态量子存儲基本問題的實驗研究》斬獲2013年度科大海外校友基金會青年科學家傑出成就獎。僅2013年這一年的時間,李傳鋒還榮獲了中國科技大學傑出研究校長獎,中國青年科技獎和國家傑出青年科學基金這四大獎項。

2014年,李傳鋒受邀成為教育部長江學者特聘教授,被評為年度創新人才推進計劃中青年科技創新領軍人才。他在量子光學與量子資訊領域的相關成就使他以雙雙排名第一的傲人成績獲得2014年度安徽省自然科學一等獎和2014年度教育部自然科學一等獎。2021年,李傳鋒等作為主要完成人的“基于量子資訊技術研究量子實體基本問題”項目獲國家自然科學二等獎,國家科學技術獎是大陸科學技術領域的最高獎。

盡管著作等身,屢獲殊榮,李傳鋒依然保持着他的勤奮與謙虛,繼續在量子資訊科技的前沿領域進行研究工作。

參考資料:

李傳鋒:“玩”出來的青年實體學家,科學網,2013-12-23。

李傳鋒:做研究像打坐一樣虔誠,中國科學技術大學曆史文化網,2014-01-08。

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