王晉嵐

[本刊訊]中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李傳鋒教授研究組在國(guó)際上率先研制成功高維固態(tài)量子存儲(chǔ)器。這項(xiàng)研究成果于2015年8月發(fā)表在Phrsical Review Letters上。

光子是量子網(wǎng)絡(luò)中的信息載流子。實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程光子糾纏是量子通信、量子計(jì)算等的核心。但在光纖中光子隨距離指數(shù)式損耗，基于光子直接傳輸?shù)牧孔油ㄐ艆f(xié)議（quantum communicationprotocol）被限制在百公里量級(jí)。利用量子存儲(chǔ)及糾纏交換技術(shù)，可以構(gòu)建量子中繼器（quantum repeater），從而實(shí)現(xiàn)千公里量級(jí)的量子網(wǎng)絡(luò)。

實(shí)現(xiàn)糾纏光子對(duì)（entangled photonpairs）的高效存儲(chǔ)是量子中繼器的關(guān)鍵。存儲(chǔ)壽命和數(shù)據(jù)傳輸速率是目前面臨的兩大挑戰(zhàn)。對(duì)于經(jīng)典光的固態(tài)存儲(chǔ)，存儲(chǔ)壽命已經(jīng)可以達(dá)到令人滿(mǎn)意的分鐘尺度；但受限于光源、存儲(chǔ)器及探測(cè)器效率等因素，數(shù)據(jù)傳輸速率卻非常低。提高數(shù)據(jù)傳輸速率的手段有兩種：對(duì)量子態(tài)進(jìn)行高維編碼和使用多模式量子存儲(chǔ)器。

光子的軌道角動(dòng)量（OAM，orbital-angular-momentum）已經(jīng)被證明是一種攜帶高緯糾纏、可進(jìn)行多模式操作的理想自由度。目前，國(guó)際上在冷原子氣（cold atomic gases）中實(shí)現(xiàn)了OAM二維糾纏的量子存儲(chǔ)，但僅在時(shí)間域和頻率域?qū)崿F(xiàn)多模式存儲(chǔ)。

李傳鋒研究組于2012年建立我國(guó)首個(gè)固態(tài)量子存儲(chǔ)研究平臺(tái)，并在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)光子偏振態(tài)的二維固態(tài)量子存儲(chǔ)。近兩年。研究組通過(guò)優(yōu)化稀土（釹）摻雜晶體及泵浦技術(shù)極大地提升了存儲(chǔ)器指標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)OAM三維糾纏態(tài)的量子存儲(chǔ)。保真度高達(dá)99.1%，存儲(chǔ)帶寬1GHz，存儲(chǔ)效率20%，并實(shí)驗(yàn)證明該存儲(chǔ)器具有高達(dá)5l維空間域模式（51 spatialmodes）的存儲(chǔ)能力。