我國(guó)中科大成功研制全球首個(gè)單光子空間結(jié)構(gòu)量子存儲(chǔ)器

　　近日，世界上首個(gè)可以存儲(chǔ)單光子形狀的量子存儲(chǔ)器在中國(guó)科技大學(xué)誕生，這邁出了基于高維量子中繼器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離大信息量量子信息傳輸?shù)年P(guān)鍵一步。

　　量子通信系統(tǒng)中作為載體的單光子所攜帶的信息量的大小與所處編碼的空間維數(shù)有關(guān)。目前光子主要編碼在一個(gè)二維空間，一個(gè)光子攜帶的信息量是一個(gè)比特。如果能將光子編碼在一個(gè)高維空間，如無(wú)限維的軌道角動(dòng)量空間，則單個(gè)光子所能攜帶的信息量將大幅度增加，極大地提高量子通信的效率，同時(shí)還可以提高量子密鑰傳輸?shù)陌踩裕⒃诹孔恿W(xué)的一些基本問(wèn)題研究方面有非常重要的應(yīng)用。

　　遠(yuǎn)距離量子通信的實(shí)現(xiàn)和量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成必須借助于量子中繼器，而量子存儲(chǔ)單元是量子中繼器的核心，實(shí)現(xiàn)光子攜帶信息在存儲(chǔ)單元中的存儲(chǔ)是實(shí)現(xiàn)中繼功能的關(guān)鍵。雖然這方面的研究已取得重大進(jìn)展，但迄今為止實(shí)驗(yàn)存儲(chǔ)的單光子均為高斯脈沖，且被編碼于二維空間，只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)比特的存儲(chǔ)。因此，能否實(shí)現(xiàn)編碼于高維空間光子的量子存儲(chǔ)是提高量子通信效率、構(gòu)建基于高維中繼器的遠(yuǎn)距離量子通信系統(tǒng)和量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。

　　量子計(jì)算被認(rèn)為可能是全球下一代通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)性研究，但在量子存儲(chǔ)器這一關(guān)鍵器件的既往研究中，存儲(chǔ)壽命和讀出效率兩個(gè)主要性能指標(biāo)一直無(wú)法實(shí)現(xiàn)同步提升：存儲(chǔ)壽命如提升至毫秒量級(jí)，讀出效率僅有20%左右；如讀出效率提升至70%，存儲(chǔ)壽命又僅有幾百納秒到幾微秒。這種僅具備單一較好性能指標(biāo)的量子存儲(chǔ)器，不能滿足量子計(jì)算的應(yīng)用需求。

　　去年5月，中科大微尺度國(guó)家實(shí)驗(yàn)室潘建偉、包小輝、趙博等與德國(guó)科研人員合作，通過(guò)一系列創(chuàng)新設(shè)計(jì)與艱苦努力，將光腔四重共振的技術(shù)難題簡(jiǎn)化為雙重共振，在近期同步實(shí)現(xiàn)了量子存儲(chǔ)器3.2毫秒的存儲(chǔ)壽命及73%的讀出效率，成功達(dá)到目前全球量子存儲(chǔ)研究的最佳性能指標(biāo)。

　　近日，該校郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在高維量子信息存儲(chǔ)方面取得重要進(jìn)展，該實(shí)驗(yàn)室史保森教授研究小組在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)攜帶軌道角動(dòng)量、具有空間結(jié)構(gòu)的單光子脈沖在冷原子系綜中的存儲(chǔ)。

　　史保森教授和博士生丁冬生等一直致力于解決上述問(wèn)題。最近，他們首次成功實(shí)現(xiàn)了攜帶軌道角動(dòng)量、具有空間結(jié)構(gòu)的單光子脈沖的存儲(chǔ)，證明高維量子態(tài)的存儲(chǔ)是完全可行的。

　　該小組通過(guò)兩個(gè)磁光阱制備了兩個(gè)冷原子團(tuán)，利用其中一個(gè)冷原子團(tuán)制備標(biāo)記單光子，并使該光子攜帶一定的軌道角動(dòng)量，具有特殊的空間結(jié)構(gòu)。然后利用原子與光的相互作用將它存儲(chǔ)于另一個(gè)作為存儲(chǔ)介質(zhì)的冷原子團(tuán)中，結(jié)果證明單光子攜帶的軌道角動(dòng)量及其疊加態(tài)都可以被高保真地存儲(chǔ)。

　　完成14.8公里光纖量子密鑰的實(shí)驗(yàn)，在3.2公里的中科大東西校區(qū)之間通過(guò)地下光纜建立了國(guó)內(nèi)第一條基于量子密碼的保密通信線路，為量子通信走向?qū)嵱眠~出可喜的一步。

　　郭光燦院士提出概率量子克隆原理，推導(dǎo)出最大克隆效率，在實(shí)驗(yàn)上研制成功概率量子克隆機(jī)和普適量子克隆機(jī)。發(fā)現(xiàn)在環(huán)境作用下不會(huì)消相干的相干保持態(tài)，提出量子避錯(cuò)編碼原理，被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。提出一種新型可望實(shí)用的量子處理器，被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子密鑰傳輸，建立基于量子密碼的保密通信系統(tǒng)，并提出信道加密的新方案，有其獨(dú)特的安全保密優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了K-S理論，有力地支持了量子力學(xué)理論。發(fā)現(xiàn)奇偶相干態(tài)的奇異特性等。

　　兩項(xiàng)原創(chuàng)性的應(yīng)用基礎(chǔ)研究成果：“概率量子克隆”和“量子避錯(cuò)編碼”。前者為解決量子信息領(lǐng)域的難題即信息提取問(wèn)題提供了有效方法，被國(guó)際學(xué)術(shù)界稱為“段-郭概率量子克隆機(jī)”“段-郭界限”，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)上研制成功量子克隆機(jī)，被認(rèn)為是“該領(lǐng)域最激動(dòng)人心的進(jìn)展之一”；后一成果為克服量子信息技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的主要障礙即消相干問(wèn)題提供新的方法，成為學(xué)術(shù)界公認(rèn)的三種不同原理編碼之一，并被美國(guó)若干著名實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)上所證實(shí)。

　　史保森教授等研究人員一直致力于解決這一難題，最近首次成功地實(shí)現(xiàn)了攜帶軌道角動(dòng)量、具有空間結(jié)構(gòu)的單光子脈沖的存儲(chǔ)與釋放，證明了高維量子態(tài)的存儲(chǔ)是完全可行，邁出了基于高維量子中繼器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離大信息量量子信息傳輸?shù)年P(guān)鍵一步。研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明單光子攜帶的軌道角動(dòng)量可以高保真地被存儲(chǔ)，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了光子軌道角動(dòng)量的量子存儲(chǔ)。