中國科大首次實現(xiàn)確定性單光子的多模式固態(tài)量子存儲

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士郭光燦領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點實驗室在量子中繼、量子網(wǎng)絡(luò)的研究中取得新進展：該實驗室李傳鋒研究組成功實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)了100個時間模式的多模式量子存儲，模式數(shù)創(chuàng)造世界最高水平，為量子中繼和全固態(tài)量子網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)打下堅實的基礎(chǔ)。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(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)。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(xiàn)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(shù)。目前已經(jīng)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(chǎn)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(yù)計將在分鐘量級以上。

　　李傳鋒研究組利用自組織量子點產(chǎn)生確定性單光子源（原則上光子產(chǎn)生幾率100%且每次有且僅有單個光子），然后通過光纖傳輸?shù)?SPAN style="BORDER-BOTTOM: 0px; BORDER-LEFT: 0px; PADDING-BOTTOM: 0px; LINE-HEIGHT: 1.8; LIST-STYLE-TYPE: none; MARGIN: 0px 0px 12px; PADDING-LEFT: 0px; PADDING-RIGHT: 0px; FONT-SIZE: 10.5pt; OVERFLOW: hidden; BORDER-TOP: 0px; BORDER-RIGHT: 0px; PADDING-TOP: 0px">5米外的另一張光學(xué)平臺上的固態(tài)量子存儲器中。他們一方面利用局部光學(xué)加熱方法調(diào)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(xué)頻率梳技術(shù)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(xiàn)確定性單光子的100個時間模式的多模式量子存儲，模式數(shù)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(shù)加速糾纏分發(fā)，后者則可以線性加速，兩者結(jié)合在一起預(yù)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(xiàn)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?qū)崿F(xiàn)全固態(tài)量子網(wǎng)絡(luò)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(lǐng)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(quán)（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(wǎng)絡(luò)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(gòu)成量子網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)。