中國科大首次實現確定性單光子的多模式固態(tài)量子存儲

　　中國科學技術大學教授、中國科學院院士郭光燦領導的中科院量子信息重點實驗室在量子中繼、量子網絡的研究中取得新進展：該實驗室李傳鋒研究組成功實現了量子點發(fā)射的確定性單光子的多模式固態(tài)量子存儲。該成果在國際上首次實現量子點與固態(tài)量子存儲器兩種不同固態(tài)系統(tǒng)之間的對接，并且實現了100個時間模式的多模式量子存儲，模式數創(chuàng)造世界最高水平，為量子中繼和全固態(tài)量子網絡的實現打下堅實的基礎。研究成果發(fā)表在10月15日的《自然·通訊》上。

　　糾纏分發(fā)是構建量子網絡的核心技術。由于信道中不可避免的傳輸損耗，目前在信道中直接進行糾纏分發(fā)只能達到百公里量級，要想實現長程的糾纏分發(fā)則需要基于單光子量子存儲和兩光子Bell基測量的量子中繼技術。目前已經實驗驗證的量子存儲或量子中繼方案都是基于概率性光源（光子產生幾率一般低于1%且存在多光子項）的存儲，這類方案的長程糾纏分發(fā)時間預計將在分鐘量級以上。

　　李傳鋒研究組利用自組織量子點產生確定性單光子源（原則上光子產生幾率100%且每次有且僅有單個光子），然后通過光纖傳輸到5米外的另一張光學平臺上的固態(tài)量子存儲器中。他們一方面利用局部光學加熱方法調節(jié)單光子的波長與固態(tài)量子存儲器的操作波長相匹配，另一方面利用光學頻率梳技術把單光子存儲到研究組自主研發(fā)的“三明治”型固態(tài)量子存儲器[PRL 108, 190505; PRL 115, 113002]中，并測得單光子偏振態(tài)的存儲保真度為91.3%。研究組進一步實驗實現確定性單光子的100個時間模式的多模式量子存儲，模式數創(chuàng)造了世界最高水平。

　　該項成果實驗演示了加速糾纏分發(fā)的兩個最重要的要素，即確定性量子光源和多模式量子存儲。前者可以指數加速糾纏分發(fā)，后者則可以線性加速，兩者結合在一起預計可以使長程糾纏分發(fā)的時間縮短到毫秒量級。該成果還首次實現了兩個固態(tài)量子節(jié)點，即量子點和固態(tài)量子存儲器的對接，向實現全固態(tài)量子網絡邁出了重要的一步。

　　審稿人對該成果給予了高度評價：“（連接）純固態(tài)量子光源和固態(tài)量子存儲器對該領域具有顯著的貢獻”、“該工作朝著（量子中繼的）正確的方向邁出了重要的一步”。

　　文章的共同第一作者為唐建順（量子點）和周宗權（固態(tài)存儲）。這項工作得到國家基金委、中科院、科技部和教育部的資助。

　　量子網絡示意圖。小球表示量子節(jié)點，線表示信道，不同節(jié)點間利用信道傳輸光子進行連接。不同顏色的小球代表構成量子網絡的各種不同量子系統(tǒng)。右下角插圖展示了量子點與固態(tài)量子存儲器的能級結構。