中國科大首次實現光子軌道角動量的量子存儲

　　中國科學技術大學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領導的研究小組在國際上首次實現了攜帶軌道角動量、具有空間結構的單光子脈沖在冷原子系綜中的存儲與釋放，證明了建立高維量子存儲單元的可行性，邁出了基于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。這項研究成果在線發表在《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，因而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。此外，利用光子的高維編碼態還可以提高量子密鑰傳輸的安全性，并且在量子力學的一些基本問題的研究方面也有非常重要的應用。遠距離量子通信的實現和量子網絡的構成必須借助于量子中繼器，而量子存儲單元是構成量子中繼器的核心，實現光子攜帶信息在存儲單元中的存儲與釋放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，但到目前為止實驗存儲的單光子均為高斯脈沖，且被編碼于二維空間，只能實現一個比特的存儲。因而，能否實現編碼于高維空間光子的量子存儲是提高量子通信效率、構建基于高維中繼器的遠距離量子通信系統和量子網絡的關鍵。盡管人們已成功實現攜帶高維空間信息的光脈沖在不同存儲體系中的存儲，但到目前為止，所有光脈沖均為經典強光或衰減的弱相干光，能否實現和如何實現在單光子條件下高維量子態的存儲仍然是量子信息領域中一個急待解決的熱點問題。

　　史保森教授和博士生丁冬生等一直致力于解決以上問題，并在具有空間結構的光脈沖存儲方面取得了系列進展。最近他們首次成功地實現了攜帶軌道角動量、具有空間結構的單光子脈沖的存儲與釋放，證明了高維量子態的存儲是完全可行的。該小組通過兩個磁光阱制備了兩個冷原子團，利用其中一個冷原子團通過非線性過程制備標記單光子，并通過螺旋相位片使該光子攜帶一定的軌道角動量，具有特殊的空間結構。而后利用電磁誘導透明效應將其存儲于另一個作為存儲介質的冷原子團中，實驗結果清楚地證明了單光子攜帶的軌道角動量可以高保真地被存儲。同時該小組借助于精心設計的Sagnac干涉儀，通過量子層析技術和干涉技術成功地證明了單光子軌道角動量的疊加性也可以在存儲過程中很好地保持，而態的疊加特性是量子信息之所以不同于經典信息的根本之處。

　　該研究成果在正式發表前曾提交到學術網站arxiv，立刻引起人們的廣泛關注，MIT的TechnologyReview網站以“第一個存儲單光子形狀的量子存儲器在中國揭開面紗”為題進行了積極評價。隨后多家網站進行了轉載和評述。《自然·通訊》審稿人指出：“這是一項令人印象非常深刻的工作，它為快速發展的量子存儲研究制定了一個非常高的標準。事實上作者可以將這項工作分成兩篇論文，但作者將這項工作中所展示的單光子的產生、存儲、釋放及軌道角動量的操控等方面的技術能力結合在一起，代表了量子技術發展中一個令人激動的分水嶺。這項工作將在量子信息和量子原子光學領域產生重大影響。”

　　該研究得到國家自然科學基金委、中科院和科技部的支持。