資料圖：中國用于量子研究的相關設備

中國科學技術(shù)大學郭光燦院士領導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領導的研究小組在國際上首次實現(xiàn)了攜帶軌道角動量、具有空間結(jié)構(gòu)的單光子脈沖在冷原子系綜中的存儲與釋放，證明了建立高維量子存儲單元的可行性，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鍵一步。這項研究成果在線發(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。目前光子主要編碼在一個二維空間，因而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(可由一個比特提高到個比特，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?，并且在量子力學的一些基本問題的研究方面也有非常重要的應用。遠距離量子通信的實現(xiàn)和量子網(wǎng)絡的構(gòu)成必須借助于量子中繼器，而量子存儲單元是構(gòu)成量子中繼器的核心，實現(xiàn)光子攜帶信息在存儲單元中的存儲與釋放是實現(xiàn)中繼功能的關鍵。雖然這方面的研究已取得重大進展，但到目前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。因而，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)絡的關鍵。盡管人們已成功實現(xiàn)攜帶高維空間信息的光脈沖在不同存儲體系中的存儲，但到目前為止，所有光脈沖均為經(jīng)典強光或衰減的弱相干光，能否實現(xiàn)和如何實現(xiàn)在單光子條件下高維量子態(tài)的存儲仍然是量子信息領域中一個急待解決的熱點問題。

史保森教授和博士生丁冬生等一直致力于解決以上問題，并在具有空間結(jié)構(gòu)的光脈沖存儲方面所取得系列進展(PRA,87,013835,013845,053830,(2013))。最近他們首次成功地實現(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通過非線性過程制備標記單光子，并通過螺旋相位片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)。而后利用電磁誘導透明效應將其存儲于另一個作為存儲介質(zhì)的冷原子團中，實驗結(jié)果清楚地證明了單光子攜帶的軌道角動量可以高保真地被存儲。同時該小組借助于精心設計的Sagnac干涉儀，通過量子層析技術(shù)和干涉技術(shù)成功地證明了單光子軌道角動量的疊加性也可以在存儲過程中很好地保持，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)表前曾提交到學術(shù)網(wǎng)站arxiv，立刻引起人們的廣泛關注。MIT的TechnologyReview網(wǎng)站以“第一個存儲單光子形狀的量子存儲器在中國揭開面紗”為題進行了積極評價，副標題為：“世界上第一個可以存儲單光子空間結(jié)構(gòu)的量子存儲器在中國誕生”。隨后多家網(wǎng)站進行了轉(zhuǎn)載和評述。目前該項工作在線發(fā)表在《自然·通訊》，并得到審稿人的高度評價：“這是一項令人印象非常深刻的工作，它為快速發(fā)展的量子存儲研究制定了一個非常高的標準。事實上作者可以將這項工作分成兩篇論文，但作者將這項工作中所展示的單光子的產(chǎn)生、存儲、釋放及軌道角動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)展中一個令人激動的分水嶺。這項工作將在量子信息和量子原子光學領域產(chǎn)生重大影響，也應該是其它物理領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。”

這項工作得到國家基金委、中科院和科技部的支持。

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