首次實現(xiàn)高維量子糾纏態(tài)的固態(tài)存儲

王晉嵐

[本刊訊]中國科學技術大學中科院量子信息重點實驗室李傳鋒教授研究組在國際上率先研制成功高維固態(tài)量子存儲器。這項研究成果于2015年8月發(fā)表在Phrsical Review Letters上。

光子是量子網(wǎng)絡中的信息載流子。實現(xiàn)遠程光子糾纏是量子通信、量子計算等的核心。但在光纖中光子隨距離指數(shù)式損耗，基于光子直接傳輸?shù)牧孔油ㄐ艆f(xié)議（quantum communicationprotocol）被限制在百公里量級。利用量子存儲及糾纏交換技術，可以構建量子中繼器（quantum repeater），從而實現(xiàn)千公里量級的量子網(wǎng)絡。

實現(xiàn)糾纏光子對（entangled photonpairs）的高效存儲是量子中繼器的關鍵。存儲壽命和數(shù)據(jù)傳輸速率是目前面臨的兩大挑戰(zhàn)。對于經(jīng)典光的固態(tài)存儲，存儲壽命已經(jīng)可以達到令人滿意的分鐘尺度；但受限于光源、存儲器及探測器效率等因素，數(shù)據(jù)傳輸速率卻非常低。提高數(shù)據(jù)傳輸速率的手段有兩種：對量子態(tài)進行高維編碼和使用多模式量子存儲器。

光子的軌道角動量（OAM，orbital-angular-momentum）已經(jīng)被證明是一種攜帶高緯糾纏、可進行多模式操作的理想自由度。目前，國際上在冷原子氣（cold atomic gases）中實現(xiàn)了OAM二維糾纏的量子存儲，但僅在時間域和頻率域實現(xiàn)多模式存儲。

李傳鋒研究組于2012年建立我國首個固態(tài)量子存儲研究平臺，并在國際上率先實現(xiàn)光子偏振態(tài)的二維固態(tài)量子存儲。近兩年。研究組通過優(yōu)化稀土（釹）摻雜晶體及泵浦技術極大地提升了存儲器指標，最終實現(xiàn)OAM三維糾纏態(tài)的量子存儲。保真度高達99.1%，存儲帶寬1GHz，存儲效率20%，并實驗證明該存儲器具有高達5l維空間域模式（51 spatialmodes）的存儲能力。