光量子技术的重要应用前景在于量子信息的加载并传输，进而形成大型、高效的量子网络。考虑到作为传递信息的比特，其必须能满足在远距离传输中损耗小、高保真的要求。光子作为飞行的比特，仍然是最理想的候选者。原子系综具有丰富且易于调控的能级结构和位置、动量等外态，目前仍是与光子形成高效信息交换的重要媒介。原子系综保持着量子存储效率达到90%的最高记录，而量子存储在实现量子中继乃至形成量子网络中有及其重要的作用。

图1：高光学厚度二维磁光阱。

南方科技大学量子科学与工程研究院冷原子量子光学实验室，利用二维磁光阱和DSPOT“暗斑”技术，使冷原子系综的光学深度达到300以上。通过调控并压缩囚禁磁场，让原子系综的光学厚度在几百微秒内大幅提升至500或以上。原子个数的有效提高起到了谐振腔的增强和腔的选模作用。为同时达到高存储效率和长寿命的目标，我们在提升光学厚度的同时优化原子系综的退相干率。在激光冷却过程后快速关闭囚禁磁场，通过在原子玻璃池附近利用直流电流线圈作为剩余磁场的实时平衡，尽量抵消原子团所在之处的剩余磁场。在磁光阱冷却囚禁后通过偶极力更高的减速作用让原子系综的冷却稳定达到几十微K的量级，从而有效降低原子间的相互碰撞及优化退相干率。

图2：原子-光量子界面。

结合日益成熟及日趋便携的冷原子技术平台，我们实验室利用冷原子系综的低热学噪声、低光强下的高非线性极化率等特点制备、操控、存储并表征光量子态，并且演示基于量子存储的量子网络。同时，冷原子系综所产生的孪生光束具有关联的量子噪声，因此能用作非线性干涉仪的增益介质，通过关联噪声抵消而实现微小相位变化的灵敏度突破标准量子极限。

图3：冷原子量子光学实验室。

目前我们已经搭建完成三套高光学深度冷原子系综平台，温度达到大约200微K，原子总数达到10⁹。从平台成功制备窄线宽单光子源，并实现非厄密原子-光量子界面。实验室负责人、量子研究院及物理系双聘副教授陈洁菲及量子研究院副研究员Georgios Siviloglou共同带领的实验团队目前包括博士后、博士及硕士研究生在内共7名研究人员。欢迎对本实验室研究方向感兴趣的学生和研究人员加入。

若需更多信息请联系chenjf@sustech.edu.cn。