全球首个单光子空间结构量子存储器问世

中科大

近日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史保森研究小组，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，从而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。相关成果日前在线发表于《自然—通讯》杂志。

量子通信系统中，作为载体的单光子所携带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为一个比特。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，单个光子所能携带的信息量将大幅增加，从而极大地提高量子通信的效率，还能提高量子密钥传输的安全性。

同时，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具备中继功能的关键。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。

此次研究人员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。该研究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。随后，他们利用原子与光的相互作用，将其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。