世界首个单光子空间结构量子存储器诞生

中科大

从中国科学技术大学获悉，该校郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室在高维量子信息存储方面取得重要进展，该实验室史保森教授研究小组在国际上首次实现携带轨道角动量、具有空间结构的单光子脉冲在冷原子系综中的存储，迈出了基于高维量子中继器实现远距离大信息量量子信息传输的关键一步。该成果近日在线发表在《自然·通讯》上。

量子通信系统中作为载体的单光子所携带的信息量的大小与所处编码的空间维数有关。目前光子主要编码在一个二维空间，一个光子携带的信息量是一个比特。如果能将光子编码在一个高维空间，如无限维的轨道角动量空间，则单个光子所能携带的信息量将大幅度增加，极大地提高量子通信的效率，同时还可以提高量子密钥传输的安全性，并在量子力学的一些基本问题研究方面有非常重要的应用。

远距离量子通信的实现和量子网络的构成必须借助于量子中继器，而量子存储单元是量子中继器的核心，实现光子携带信息在存储单元中的存储是实现中继功能的关键。虽然这方面的研究已取得重大进展，但迄今为止实验存储的单光子均为高斯脉冲，且被编码于二维空间，只能实现一个比特的存储。因此，能否实现编码于高维空间光子的量子存储是提高量子通信效率、构建基于高维中继器的远距离量子通信系统和量子网络的关键。

史保森教授和博士生丁冬生等一直致力于解决上述问题。最近，他们首次成功实现了携带轨道角动量、具有空间结构的单光子脉冲的存储，证明高维量子态的存储是完全可行的。该小组通过两个磁光阱制备了两个冷原子团，利用其中一个冷原子团制备标记单光子，并使该光子携带一定的轨道角动量，具有特殊的空间结构。然后利用原子与光的相互作用将它存储于另一个作为存储介质的冷原子团中，结果证明单光子携带的轨道角动量及其叠加态都可以被高保真地存储。