全球首個單光子空間結構量子存儲器在中國問世

本報訊(記者楊保國)記者近日從中國科學技術大學獲悉，該校郭光燦院士領導的中科院量子信息重點實驗室史保森研究小組，在國際上首次實現攜帶軌道角動量、具有空間結構的單光子脈衝在冷原子系綜中的存儲，從而邁出了基於高維量子中繼器實現遠距離大信息量量子信息傳輸的關鍵一步。相關成果日前在線發表於《自然—通訊》雜誌。

量子通信系統中，作為載體的單光子所攜帶信息量的大小與所處編碼的空間維數有關。目前，光子主要編碼在一個二維空間，一個光子攜帶的信息量為一個比特。如果能將光子編碼在一個高維空間，如無限維的軌道角動量空間，單個光子所能攜帶的信息量將大幅增加，從而極大地提高量子通信的效率，還能提高量子密鑰傳輸的安全性。

同時，遠距離量子通信的實現和量子網絡的構成必須藉助於量子中繼器，而量子存儲單元是量子中繼器的核心，實現光子攜帶信息在存儲單元中的存儲是具備中繼功能的關鍵。雖然這方面的研究已取得重大進展，但迄今為止實驗存儲的單光子均為高斯脈衝，且被編碼於二維空間，只能實現一個比特的存儲。

此次研究人員首次成功實現了攜帶軌道角動量、具有空間結構的單光子脈衝的存儲，證明高維量子態的存儲是完全可行的。該研究小組通過兩個磁光阱製備了兩個冷原子團，利用其中一個冷原子團製備標記單光子，並使該光子攜帶一定的軌道角動量，具有特殊的空間結構。隨後，他們利用原子與光的相互作用，將其存儲於另一個作為存儲介質的冷原子團中，結果證明單光子攜帶的軌道角動量及其疊加態都可以被高保真地存儲。

審稿人認為，該成果「為快速發展的量子存儲研究制定了一個非常高的標準，代表了量子技術發展中一個令人激動的分水嶺，將在量子信息和量子原子光學領域產生重大影響」。