首次实现高维量子纠缠态的固态存储

王晋岚

[本刊讯]中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室李传锋教授研究组在国际上率先研制成功高维固态量子存储器。这项研究成果于2015年8月发表在Phrsical Review Letters上。

光子是量子网络中的信息载流子。实现远程光子纠缠是量子通信、量子计算等的核心。但在光纤中光子随距离指数式损耗，基于光子直接传输的量子通信协议（quantum communicationprotocol）被限制在百公里量级。利用量子存储及纠缠交换技术，可以构建量子中继器（quantum repeater），从而实现千公里量级的量子网络。

实现纠缠光子对（entangled photonpairs）的高效存储是量子中继器的关键。存储寿命和数据传输速率是目前面临的两大挑战。对于经典光的固态存储，存储寿命已经可以达到令人满意的分钟尺度；但受限于光源、存储器及探测器效率等因素，数据传输速率却非常低。提高数据传输速率的手段有两种：对量子态进行高维编码和使用多模式量子存储器。

光子的轨道角动量（OAM，orbital-angular-momentum）已经被证明是一种携带高纬纠缠、可进行多模式操作的理想自由度。目前，国际上在冷原子气（cold atomic gases）中实现了OAM二维纠缠的量子存储，但仅在时间域和频率域实现多模式存储。

李传锋研究组于2012年建立我国首个固态量子存储研究平台，并在国际上率先实现光子偏振态的二维固态量子存储。近两年。研究组通过优化稀土（钕）掺杂晶体及泵浦技术极大地提升了存储器指标，最终实现OAM三维纠缠态的量子存储。保真度高达99.1%，存储带宽1GHz，存储效率20%，并实验证明该存储器具有高达5l维空间域模式（51 spatialmodes）的存储能力。