我國中科大成功研制全球首個單光子空間結(jié)構(gòu)量子存儲器

　　近日，世界上首個可以存儲單光子形狀的量子存儲器在中國科技大學(xué)誕生，這邁出了基于高維量子中繼器實現(xiàn)遠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二維空間，一個光子攜帶的信息量是一個比特。如果能將光子編碼在一個高維空間，如無限維的軌道角動量空間，則單個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，同時還可以提高量子密鑰傳輸?shù)陌踩?，并在量子力學(xué)的一些基本問題研究方面有非常重要的應(yīng)用。

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

　　量子計算被認為可能是全球下一代通信和計算機技術(shù)的基礎(chǔ)性研究，但在量子存儲器這一關(guān)鍵器件的既往研究中，存儲壽命和讀出效率兩個主要性能指標一直無法實現(xiàn)同步提升：存儲壽命如提升至毫秒量級，讀出效率僅有20%左右；如讀出效率提升至70%，存儲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的量子存儲器，不能滿足量子計算的應(yīng)用需求。

　　去年5月，中科大微尺度國家實驗室潘建偉、包小輝、趙博等與德國科研人員合作，通過一系列創(chuàng)新設(shè)計與艱苦努力，將光腔四重共振的技術(shù)難題簡化為雙重共振，在近期同步實現(xiàn)了量子存儲器3.2毫秒的存儲壽命及73%的讀出效率，成功達到目前全球量子存儲研究的最佳性能指標。

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

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

　　該小組通過兩個磁光阱制備了兩個冷原子團，利用其中一個冷原子團制備標記單光子，并使該光子攜帶一定的軌道角動量，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于另一個作為存儲介質(zhì)的冷原子團中，結(jié)果證明單光子攜帶的軌道角動量及其疊加態(tài)都可以被高保真地存儲。

　　完成14.8公里光纖量子密鑰的實驗，在3.2公里的中科大東西校區(qū)之間通過地下光纜建立了國內(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，在實驗上研制成功概率量子克隆機和普適量子克隆機。發(fā)現(xiàn)在環(huán)境作用下不會消相干的相干保持態(tài)，提出量子避錯編碼原理，被實驗證實。提出一種新型可望實用的量子處理器，被實驗證實。在實驗上實現(xiàn)遠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，有其獨特的安全保密優(yōu)點。在實驗上驗證了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“量子避錯編碼”。前者為解決量子信息領(lǐng)域的難題即信息提取問題提供了有效方法，被國際學(xué)術(shù)界稱為“段-郭概率量子克隆機”“段-郭界限”，同時在實驗上研制成功量子克隆機，被認為是“該領(lǐng)域最激動人心的進展之一”；后一成果為克服量子信息技術(shù)實際應(yīng)用的主要障礙即消相干問題提供新的方法，成為學(xué)術(shù)界公認的三種不同原理編碼之一，并被美國若干著名實驗室在實驗上所證實。

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