世界首個單光子空間結構量子存儲器誕生

2020-11-25 人民網

原標題：世界首個單光子空間結構量子存儲器誕生

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　　科技日報訊 （記者吳長鋒 通訊員楊保國）記者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，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。該成果近日在線發表在《自然·通訊》上。

　　量子通信系統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是一個比特。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，則單個光子所能攜帶的信息量將大幅度增加，極大地提高量子通信的效率，同時還可以提高量子密鑰傳輸的安全性，並在量子力學的一些基本問題研究方面有非常重要的應用。

　　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實現中繼功能的關鍵。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。因此，能否實現編碼於高維空間光子的量子存儲是提高量子通信效率、構建基於高維中繼器的遠距離量子通信系統和量子網絡的關鍵。

　　史保森教授和博士生丁冬生等一直致力於解決上述問題。最近，他們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。然後利用原子與光的相互作用將它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。

(來源:科技日報)

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