我国中科大成功研制全球首个单光子空间结构量子存储器

　　近日，世界上首个可以存储单光子形状的量子存储器在中国科技大学诞生，这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。

　　量子通信系统中作为载体的单光子所携带的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是一个比特。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，则单个光子所能携带的信息量将大幅度增加，极大地提高量子通信的效率，同时还可以提高量子密钥传输的安全性，并在量子力学的一些基本问题研究方面有非常重要的应用。

　　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实现中继功能的关键。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。因此，能否实现编码于高维空间光子的量子存储是提高量子通信效率、构建基于高维中继器的远距离量子通信系统和量子网络的关键。

　　量子计算被认为可能是全球下一代通信和计算机技术的基础性研究，但在量子存储器这一关键器件的既往研究中，存储寿命和读出效率两个主要性能指标一直无法实现同步提升：存储寿命如提升至毫秒量级，读出效率仅有20%左右；如读出效率提升至70%，存储寿命又仅有几百纳秒到几微秒。这种仅具备单一较好性能指标的量子存储器，不能满足量子计算的应用需求。

　　去年5月，中科大微尺度国家实验室潘建伟、包小辉、赵博等与德国科研人员合作，通过一系列创新设计与艰苦努力，将光腔四重共振的技术难题简化为双重共振，在近期同步实现了量子存储器3.2毫秒的存储寿命及73%的读出效率，成功达到目前全球量子存储研究的最佳性能指标。

　　近日，该校郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室在高维量子信息存储方面取得重要进展，该实验室史保森教授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。

　　史保森教授和博士生丁冬生等一直致力于解决上述问题。最近，他们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。然后利用原子与光的相互作用将它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。

　　完成14.8公里光纤量子密钥的实验，在3.2公里的中科大东西校区之间通过地下光缆建立了国内第一条基于量子密码的保密通信线路，为量子通信走向实用迈出可喜的一步。

　　郭光灿院士提出概率量子克隆原理，推导出最大克隆效率，在实验上研制成功概率量子克隆机和普适量子克隆机。发现在环境作用下不会消相干的相干保持态，提出量子避错编码原理，被实验证实。提出一种新型可望实用的量子处理器，被实验证实。在实验上实现远距离的量子密钥传输，建立基于量子密码的保密通信系统，并提出信道加密的新方案，有其独特的安全保密优点。在实验上验证了K-S理论，有力地支持了量子力学理论。发现奇偶相干态的奇异特性等。

　　两项原创性的应用基础研究成果：“概率量子克隆”和“量子避错编码”。前者为解决量子信息领域的难题即信息提取问题提供了有效方法，被国际学术界称为“段-郭概率量子克隆机”“段-郭界限”，同时在实验上研制成功量子克隆机，被认为是“该领域最激动人心的进展之一”；后一成果为克服量子信息技术实际应用的主要障碍即消相干问题提供新的方法，成为学术界公认的三种不同原理编码之一，并被美国若干著名实验室在实验上所证实。

　　史保森教授等研究人员一直致力于解决这一难题，最近首次成功地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与释放，证明了高维量子态的存储是完全可行，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。研究人员通过实验证明单光子携带的轨道角动量可以高保真地被存储，在国际上首次实现了光子轨道角动量的量子存储。