EE版 - 世界首个单光子量子存储器在中国诞生 中科大实现光子轨道角动量 (转载) |
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发信人: Regina (猫宝宝), 信区: Military
标 题: 世界首个单光子量子存储器在中国诞生 中科大实现光子轨道角动量的量子存储 字号:小中大2013-10-09 23:24:35 更多 54 关键字 >> 量子通信单光子光子轨道角动量的量子存储单光子量子
发信站: BBS 未名空间站 (Wed Oct 9 15:40:20 2013, 美东)
世界首个单光子量子存储器在中国诞生 中科大实现光子轨道角动量的量子存储
字号:小中大2013-10-09 23:24:35
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关键字 >> 量子通信单光子光子轨道角动量的量子存储单光子量子存储器郭光灿中科大
量子力学光子中国基础研究观察者头条
中国科技技术大学网站9日消息，世界上首个可以存储单光子形状的量子存储器在中国
诞生，最新成果在线发表于《自然•通讯》上。这项成果将巩固我国在量子通信
技术领域的世界领先地位。
中科大实现光子轨道角动量的量子存储
中国科学技术大学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领导的研究小组在国际上首次实现了携带轨道角
动量、具有空间结构的单光子脉冲在冷原子系统中的存储与释放，证明了建立高维量子
存储单元的可行性，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。这项研究成果在线发表在《自然•通讯》上。该研究得到国家自然科学
基金委、中科院和科技部的支持。
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，因而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。此外，利用光子的高维编码态还可以提高量子密
钥传输的安全性，并且在量子力学的一些基本问题的研究方面也有非常重要的应用。
我国在量子通信领域处于世界领先水平
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，而量子存储单元是构
成量子中继器的核心，实现光子携带信息在存储单元中的存储与释放是实现中继功能的
关键。虽然这方面的研究已取得重大进展，但到目前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。因而，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。
尽管人们已成功实现携带高维空间信息的光脉冲在不同存储体系中的存储，但到目前为
止，所有光脉冲均为经典强光或衰减的弱相干光，能否实现和如何实现在单光子条件下
高维量子态的存储仍然是量子信息领域中一个急待解决的热点问题。
史保森教授和博士生丁冬生等一直致力于解决以上问题，并在具有空间结构的光脉冲存
储方面取得了系列进展。最近他们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通过非线性过程制备标记单光子，并
通过螺旋相位片使该光子携带一定的轨道角动量，具有特殊的空间结构。而后利用电磁
诱导透明效应将其存储于另一个作为存储介质的冷原子团中，实验结果清楚地证明了单
光子携带的轨道角动量可以高保真地被存储。
同时该小组借助于精心设计的Sagnac干涉仪，通过量子层析技术和干涉技术成功地证明
了单光子轨道角动量的叠加性也可以在存储过程中很好地保持，而态的叠加特性是量子
信息之所以不同于经典信息的根本之处。
该研究成果在正式发表前曾提交到学术网站arxiv，立刻引起人们的广泛关注，MIT的
TechnologyReview网站以“第一个存储单光子形状的量子存储器在中国揭开面纱”为题
进行了积极评价。随后多家网站进行了转载和评述。《自然•通讯》审稿人指出
：“这是一项令人印象非常深刻的工作，它为快速发展的量子存储研究制定了一个非常
高的标准。事实上作者可以将这项工作分成两篇论文，但作者将这项工作中所展示的单
光子的产生、存储、释放及轨道角动量的操控等方面的技术能力结合在一起，代表了量
子技术发展中一个令人激动的分水岭。这项工作将在量子信息和量子原子光学领域产生
重大影响。”
固态量子存储器保真度世界纪录刷新
去年5月，中科院院士、中科大教授郭光灿领导的中科院量子信息重点实验室李传锋研
究组在固态系统中首次实现单光子偏振态的量子存储器，保真度达99.9%，刷新世界纪
录。研究成果日前发表在美国《物理评论快报》上，并被美国物理学会网站“物理概要
”栏目作亮点报道。
量子存储器是量子信息领域的核心器件之一，是量子隐形传态、量子密集编码等基本量
子信息过程的必需元件。同时，它还可用来实现量子中继，以解决远程量子通信中的信
息损耗问题，以及用于分布式量子计算、量子精密测量等。
国际上常用的量子存储器，如冷原子、玻色—爱因斯坦凝聚等，存在带宽窄和扩展性差
等缺点，难以应用于实用化的量子网络。近几年兴起的基于稀土离子掺杂晶体的固态量
子存储器，具有寿命长、稳定性高、带宽较宽、扩展性强等优点。但由于这种晶体有双
折射效应，不能用光的偏振状态（光波的振动状态）来加载信息，而光的各种偏振态是
量子信息最方便的载体，因此，怎样实现光子偏振态的固态量子存储器是国际学术界一
大难题。
李传锋小组利用两块1.4毫米厚的掺钕钒酸钇晶体，分别处理光的两种正交偏振态，同
时把一片特殊设计的光学元件（波片）置于两块晶体之间，来实现这两种偏振态的互换
。整个量子存储器就像一片很小的“三明治”，紧凑而稳定，扩展和集成都十分方便。
在实验中，他们摈弃了传统的固态量子存储方案中使用的“共线式”光路，设计出交叉
式光路，使得预处理用的泵浦光与待存储的光不再重合，降低了泵浦光带来的噪声，从
而极大地提高了存储器的保真度，可达99.9%，远高于此前单光子偏振存储95%的最高保
真度。审稿人称赞其“新颖地解决了在固态器件中存储偏振比特的重要问题”。
李传锋说，该成果对进一步提高实用化量子通信网络元件的小型化和集成化具有重要意
义。同时，该超高保真度量子存储可应用于容错量子计算等具有苛刻要求的研究领域。
量子通信：
量子通信技术是量子力学与传统信息科学结合的产物，目前，主要利用光在微观世界中
的量子特性，通过单个光子或纠缠光子传输“0”和“1”的数字信息来实现信息的高速
传递，从理论上说可以传输超大容量的信息，且能够用于开发用经典手段无法破译的密
码。由于光子在传输过程中会发生衰减，在实际应用中实现远距离的光纤量子保密通信
难度很大，目前量子密码在光纤中的最大传输距离只有200公里左右。不过，最新的研
究表明，利用通信卫星和自由空间纠缠光子分发，很有希望实现更远距离乃至全球化的
量子通信网络。
量子保密通信技术基于量子力学原理，能确保两地之间密钥分配的绝对安全性，从而保
证通信的绝对安全。量子信号在商用光纤上传输的不稳定性是量子保密通信技术实用化
的主要技术障碍；而量子信号的绝对安全的路由问题则是实现量子通信网络的主要难题
。因此，从根本上解决光纤传输的稳定性问题和光纤网络的量子路由问题一直是国际学
术界的两大研究热点和难题。中国科学家目前在此领域已经成功实现商业应用，领先世
界。 | f******d
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