資料圖：中國(guó)用于量子研究的相關(guān)設(shè)備

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)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)室史保森教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了攜帶軌道角動(dòng)量、具有空間結(jié)構(gòu)的單光子脈沖在冷原子系綜中的存儲(chǔ)與釋放，證明了建立高維量子存儲(chǔ)單元的可行性，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。這項(xiàng)研究成果在線發(fā)表在《自然·通訊》上。

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，因而一個(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(可由一個(gè)比特提高到個(gè)比特，其中d是空間維數(shù))，極大地提高量子通信的效率。此外，利用光子的高維編碼態(tài)還可以提高量子密鑰傳輸?shù)陌踩?，并且在量子力學(xué)的一些基本問(wèn)題的研究方面也有非常重要的應(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)單元是構(gòu)成量子中繼器的核心，實(shí)現(xiàn)光子攜帶信息在存儲(chǔ)單元中的存儲(chǔ)與釋放是實(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，但到目前為止實(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)。因而，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。盡管人們已成功實(shí)現(xiàn)攜帶高維空間信息的光脈沖在不同存儲(chǔ)體系中的存儲(chǔ)，但到目前為止，所有光脈沖均為經(jīng)典強(qiáng)光或衰減的弱相干光，能否實(shí)現(xiàn)和如何實(shí)現(xiàn)在單光子條件下高維量子態(tài)的存儲(chǔ)仍然是量子信息領(lǐng)域中一個(gè)急待解決的熱點(diǎn)問(wèn)題。

史保森教授和博士生丁冬生等一直致力于解決以上問(wèn)題，并在具有空間結(jié)構(gòu)的光脈沖存儲(chǔ)方面所取得系列進(jìn)展(PRA,87,013835,013845,053830,(2013))。最近他們首次成功地實(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)通過(guò)非線性過(guò)程制備標(biāo)記單光子，并通過(guò)螺旋相位片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)。而后利用電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)將其存儲(chǔ)于另一個(gè)作為存儲(chǔ)介質(zhì)的冷原子團(tuán)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果清楚地證明了單光子攜帶的軌道角動(dòng)量可以高保真地被存儲(chǔ)。同時(shí)該小組借助于精心設(shè)計(jì)的Sagnac干涉儀，通過(guò)量子層析技術(shù)和干涉技術(shù)成功地證明了單光子軌道角動(dòng)量的疊加性也可以在存儲(chǔ)過(guò)程中很好地保持，而態(tài)的疊加特性是量子信息之所以不同于經(jīng)典信息的根本之處。

該研究成果在正式發(fā)表前曾提交到學(xué)術(shù)網(wǎng)站arxiv，立刻引起人們的廣泛關(guān)注。MIT的TechnologyReview網(wǎng)站以“第一個(gè)存儲(chǔ)單光子形狀的量子存儲(chǔ)器在中國(guó)揭開(kāi)面紗”為題進(jìn)行了積極評(píng)價(jià)，副標(biāo)題為：“世界上第一個(gè)可以存儲(chǔ)單光子空間結(jié)構(gòu)的量子存儲(chǔ)器在中國(guó)誕生”。隨后多家網(wǎng)站進(jìn)行了轉(zhuǎn)載和評(píng)述。目前該項(xiàng)工作在線發(fā)表在《自然·通訊》，并得到審稿人的高度評(píng)價(jià)：“這是一項(xiàng)令人印象非常深刻的工作，它為快速發(fā)展的量子存儲(chǔ)研究制定了一個(gè)非常高的標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上作者可以將這項(xiàng)工作分成兩篇論文，但作者將這項(xiàng)工作中所展示的單光子的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、釋放及軌道角動(dòng)量的操控等方面的技術(shù)能力結(jié)合在一起，代表了量子技術(shù)發(fā)展中一個(gè)令人激動(dòng)的分水嶺。這項(xiàng)工作將在量子信息和量子原子光學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響，也應(yīng)該是其它物理領(lǐng)域讀者非常感興趣的工作。因而我非常高興地推薦它的發(fā)表，并且期待作者做出更多的工作。”

這項(xiàng)工作得到國(guó)家基金委、中科院和科技部的支持。

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